變頻器驅(qū)動電路詳解

1、變頻器驅(qū)動電路詳解測量驅(qū)動電路輸出的六路驅(qū)動脈沖的電壓幅度都符合要求， 如用交流檔測量 正向激勵脈沖電壓的幅度約 14V 左右，負(fù)向截止電壓的幅度約左右 （不同的機(jī)型 有所差異），對驅(qū)動電路經(jīng)過以上檢查，一般檢修人員就認(rèn)為可以裝機(jī)了，此中 忽略了一個極其重要的檢查環(huán)節(jié) 對驅(qū)動電路電流（功率）輸出能力的檢查！ 很多我們認(rèn)為已經(jīng)正常修復(fù)的變頻器，在運行中還會暴露出更隱蔽的故障現(xiàn)象， 并由此導(dǎo)致了一定的返修率。變頻器空載或輕載運行正常， 但帶上一定負(fù)載后， 出現(xiàn)電機(jī)振動、 輸出電壓偏相、 頻跳OC故障等。故障原因：A、驅(qū)動電路的供電電源電流（功率）輸出能力不足；B、驅(qū)動IC或驅(qū)動IC后置放大器低效，

2、輸出內(nèi)阻變大，使驅(qū)動脈沖的電壓幅度或電流幅度不 足；C、IGBT低效，導(dǎo)通內(nèi)阻變大，導(dǎo)通管壓降增大。C原因所導(dǎo)致的故障比例并不高，而且限于維修修部的條件所限，如無法為變 頻器提供額定負(fù)載試機(jī)。但 A、 B 原因所帶來的隱蔽性故障，我們可以采用為驅(qū) 動增加負(fù)載的方法，使其暴露出來，并進(jìn)而修復(fù)之，從面能使返修率降到最低。IGBT的正常開通既需要幅值足夠的激勵電路，女口 +12V以上，更需要足夠的驅(qū)動 電流，保障其可靠開通，或者說保障其導(dǎo)通在一定的低導(dǎo)通內(nèi)阻下。上述A、 B故障原因的實質(zhì)，即由于驅(qū)動電路的功率輸出能力不足，導(dǎo)致了IGBT雖能開通但不能處于良好的低導(dǎo)能內(nèi)阻的開通狀態(tài)下， 從而表現(xiàn)出輸出

3、偏相、 電機(jī)振動劇 烈和頻跳OC故障等。讓我們從IGBT的控制特性上來做一下較為深入的分析，找出故障的根源所、IGBT的控制特性:通常的觀念，認(rèn)為IGBT器件是電壓型控制器件一一為柵偏壓控制，只需提 供一定電平幅度的激勵電壓， 而不需吸取激勵電流。 在小功率電路中， 僅由數(shù)字 門電路，就可以驅(qū)動MoS型絕緣柵場效應(yīng)管。做為IGBT，輸入電路恰好具有 MoS型絕緣柵場效應(yīng)管的特性，因而也可視為電壓控制器件。這種觀念其實有 失偏頗。因結(jié)構(gòu)和工藝的原因，IGBT管子的柵-射結(jié)間形成了一個名為Cge的結(jié) 電容，對IGBT管子開通和截止的控制，其實就是Cge進(jìn)行的充、放電控制。+15V 的激勵脈沖電壓，

4、提供了 Cge的一個充電電流通路，IGBT因之而開通；-7。5V 的負(fù)向脈沖電壓，將Cge上的已充電荷強(qiáng)行拉出來”，起到對充電電荷的快速中 和作用，IGBT因之而截止。假定IGBT管子只對一個工作頻率為零的直流電路進(jìn)行通斷控制，對Cge一次性充滿電后，幾乎不再需要進(jìn)行充、放電的控制，那么將此電路中的 IGBT 管子說成是電壓控制器件，是成立的。而問題是：變頻器輸出電路中的IGBT管子工作于數(shù)kHz的頻率之下，其柵偏壓也為數(shù)kHz頻率的脈沖電壓！ 一方面，對 于這種較高頻率的信號，Cge的呈現(xiàn)出的容抗是較小的，故形成了較大的充、放 電電流。另一方面，要使IGBT可靠和快速的開通（力爭使管子有較小

5、的導(dǎo)通內(nèi) 阻），在IGBT的允許工作區(qū)內(nèi)，就要提供盡可能大的驅(qū)動電流（充電電流）。 對于截止的控制也是一樣，須提供一個低內(nèi)阻（歐姆級）的外部泄放電路，將柵 -射結(jié)電容上的電荷極快地泄放掉！大家都知道電容為儲能元件， 本身不消耗功率， 稱為容性負(fù)載。 但正猶如輸、 配電線路的道理一樣， 除了電源必須提供容性元件的無功電流 （無功功率）外 這使得電源容量變大，無功電流也必然帶來了線路電阻上的損耗（線損）！驅(qū)動 電路的功率損耗主要集中在柵極電阻和末級放大管的導(dǎo)通內(nèi)阻上。我們常看到尤其是大功率變頻器 驅(qū)動電路的輸出級其實是一個功率放大電路，常由 中功率甚至大功率對管、幾瓦的柵極電阻等元件構(gòu)成，說明IG

6、BT的驅(qū)動電路是消耗一定功率的，是需要輸出一定電流的。而從上述分析可看出：應(yīng)用在變頻器輸出電路的IGBT管子，恰恰應(yīng)該說是電流或說是功率驅(qū)動器件，而不純?yōu)殡妷嚎刂破骷?。、裝機(jī)前最后一個檢測內(nèi)容:為最大可能地降低返修率，在對驅(qū)動電路進(jìn)行三、四節(jié)的全面檢測后，不要 漏過對驅(qū)動電路的帶負(fù)載能力這樣一個檢查環(huán)節(jié)。方法如下：p H4 T2S0VImiIODM2DI45 15HSYDR44 75fl1GUAEU對驅(qū)動電路帶負(fù)載能力的測量電路上圖為DVP-1 22kW臺達(dá)變頻器的U相上臂的驅(qū)動電路。圖中 GU、EU為脈 沖信號輸出端子，外接IGBT的G、E極，檢修驅(qū)動板時已與主電路脫離。虛線框 內(nèi)為外加測量

7、電路。為電源/驅(qū)動板上電后，配合啟動和停止操作，在 m、n點 串入直流250mA電流檔，與15 3W的外加測量電阻構(gòu)成回路，檢測各路驅(qū)動電 路的電流輸出能力，測得啟動狀態(tài)，有五路輸出電流值均在150mA左右，其中一路輸出電流僅為40mA,裝機(jī)運行后跳OC的故障原因正在于此，該路驅(qū)動電 路的驅(qū)動能力大大不足！停機(jī)狀態(tài)，測得各路負(fù)電壓供電的電流輸出能力均為 50mA 左右，負(fù)壓供電能力正常。串接RC,起到限流作用，其取值的原則：選取電阻值及功率值與柵極電阻 相等（上圖中DR45的參數(shù)值），以使檢測效果明顯。對驅(qū)動電路做過功率輸出能力的檢測， 可以確定驅(qū)動電路完全正常了。 在驅(qū) 動電路與主電路連接的

8、試機(jī)過程中，請先以低壓 24V直流電源為逆變電路供電， 測試驅(qū)動電路和逆變電路正常后， 再恢復(fù)逆變回路的正常供電。 如手頭無低壓直 流電源，起碼應(yīng)在逆變供電回路串接兩只 45W燈泡或2A保險管，試機(jī)正常后， 才接入逆變電路的原供電！上述對驅(qū)動電路的上電檢測，是在脫開與主電路（IGBT的連接后進(jìn)行的， 整機(jī)連接狀態(tài)下， 不得測量驅(qū)動電路的輸入、 輸入側(cè)， 會因人體感應(yīng)和表筆引入 干擾信號，使IGBT受觸發(fā)誤碼導(dǎo)通，造成模塊的炸裂！驅(qū)動電路輸出能力的不足，由以下兩方面的原因造成：A、電源供電能力不足，空載情況下，我們檢測輸出正、負(fù)電壓，往往達(dá)到 正常的幅度要求，即使帶載（如接入IGBT后）情況下，

9、雖然對Cge的瞬時的充 電能力不足， 但因充電時間太短， 我們往往也測不出供電電壓的低落， 不帶上電 阻負(fù)載，這種隱蔽故障幾乎不能被檢測出來！ 電路電路的常見故障為濾波電容失 容，如上圖中DC41 ,因長期運行中電解電容內(nèi)部的電解液干涸，其容量由幾百 微法減小為幾十微法，甚至為幾微法。另外，可能有整流管低效，如正向電阻變 大等，也會造成電源輸出能力不足；B、驅(qū)動IC內(nèi)部輸出電路不良或后置放大器 DQ4、DQIO導(dǎo)通內(nèi)阻變大等。如 帶載后檢測電源電壓無低落現(xiàn)象， 檢測T250輸出電壓偏低，則為T250不良，否 則更換DQ4 DQ10等元件。DR40 DR45等阻值變大的現(xiàn)象比較少見。需要說明的是

10、： 正向激勵電壓的不足，只是表現(xiàn)出電機(jī)振動劇烈、 輸出電壓偏相、 頻繁 跳 OC 故障等現(xiàn)象，雖然有可能使電機(jī)繞組中產(chǎn)生直流成分出現(xiàn)過流狀態(tài)，但對模塊構(gòu)不成 一投入運行信號即爆裂的危害。 而負(fù)向截止電壓的丟失 （負(fù)壓供電回路的故障造成負(fù)柵偏壓 回路阻斷），則表現(xiàn)出上電時正常，一按動啟動按鍵，IGBT逆變模塊便會發(fā)出 啪的一聲馬 上爆裂的故障！這是為何呢三、IGBT截止負(fù)壓丟失后的危害：除了在全速運行下負(fù)載突然短路造成的損壞外，過流、過載、過欠壓等，所有故障的危害性都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于柵偏壓回路開路對IGBT的危害，說到這一點，廣大維修人員都會深有體會的 維修人員吃這樣的不應(yīng)該吃的虧是太多了啊。檢修過程

11、中漏焊了柵極電阻 DR45,在裝機(jī)過程中粗心大意間只插好了上臂IBGT1的觸發(fā)插頭，而忘記了連接下臂 IGBT觸發(fā)端子，而使IGBT2驅(qū)動信號引入端子被空置，上電后， 不投入起動信號，還沒有問題，一旦投入啟動信號，那就毫無商量，模塊壞掉。長期的維修 工作中， 我已經(jīng)養(yǎng)成了一個習(xí)慣： 上電后啟動操作前先停一會兒， 觀察一下驅(qū)動脈沖輸出端 子是否已經(jīng)連接完好。 檢查每路都連接完好后， 再按下啟動按鍵。 我常常覺得這輕輕的一點 有千鈞之重啊 驅(qū)動電路與逆變輸出電路都是正常的狀態(tài)下， 只漏插了一只驅(qū)動脈沖的信 號端子，必會造成IGBT模塊與驅(qū)動電路的再次嚴(yán)重?fù)p壞，致使前功盡棄呀!IGBT結(jié)電容等效圖如

12、同雙極性器件 三極管一樣，三線元件也必然形成了內(nèi)部三只等效電容，而IGBT內(nèi)部的Cge卻不是寄生性的， 是工藝與結(jié)構(gòu)所形成。CCe電容我們不要去管它。 對IGBT 能起到毀滅性作用的是 CCg和Cge兩只電容。上圖為下臂IGBT的觸發(fā)端子開路時的情形。上電后，IGBT1因驅(qū)動電路的接入，負(fù)的截止電壓加到G、E極上，能將其維持在可靠的截止?fàn)顟B(tài)。變頻器運行信號的莽撞投入，使 IGBT1受正向激勵脈沖電壓驅(qū)動而開通，U端子即IGBT2的C極馬上跳變?yōu)?530V的直流高壓，此跳變電壓提供了 Ccg、Cge兩只電容的充電回流回路，在IGBT1開通期間，IGBT2也為此充電電流所驅(qū)動，而近于同時開通，兩管的共通形成了對P、N端的+530V供電電源的短路，啪啦一聲，兩只管子都炸掉了！ 假如上管的信號端子是空置的，而下管接入了驅(qū)動電路， 同樣，下管的導(dǎo)通，也會因同樣的原因使兩管損壞。假定IGBT2的G、E極上，尚并聯(lián)有柵極旁路電阻（如IGBT1柵控回路中的R旁），將對上述充電電流形成旁路作用，兩管共通的可能性會降低一些。再假定在上管導(dǎo)通期間， 下管的G、E極間有7V左右截止負(fù)壓的存在，正向的充電電流為柵負(fù)偏壓所中和和吸收，遠(yuǎn)遠(yuǎn) 達(dá)不到使IGBT開通的幅值，則IGBT2是安全的。這也正是IGBT的控制回路為什么要加上負(fù) 壓的緣故。對于采用IPM智能化逆變模塊的變頻器，驅(qū)動供電往往為單電源，并未提