安川變頻器IGBT 與IPM 功率模塊的分析

欒頌軒

（滄州黃驊港礦石港務有限公司，河北滄州 061113）

0 引言

變頻器中的逆變器采用的自關斷元件分為大功率晶體管GTR、可關斷晶閘管GTO 和大功率場效應管MOSFET 等，其中應用最廣泛的為GTR 元件。但是，在當今工業(yè)時代的發(fā)展要求逆變器輸出諧波分量更小，并且要求的開關頻率更高，傳統(tǒng)的GTR 便不能滿足這個要求，于是就開發(fā)出一種新型元件——IGBT。

IGBT 全稱絕緣柵雙極晶體管，是由MOS 管和BJT 管組成的具有自關斷功能的復合全控型—電壓驅(qū)動式—功率半導體器件。IGBT 相對于MOS 管和BJT 管的優(yōu)勢有：驅(qū)動電路簡單，輸入阻抗高，驅(qū)動功率低，飽和壓降低，工作頻率高與開關速度快等。這些優(yōu)勢使其在在大功率電力電子器件應用中成為主流。近年來，在工業(yè)系統(tǒng)的運行過程中，越來越多的要求系統(tǒng)擁有可自動維護能力，因此對集成冗余、容錯能力的控制系統(tǒng)的研究得到更多關注。為了確保在生產(chǎn)過程中規(guī)避因逆變器故障造成的元器件損毀造成巨大的經(jīng)濟損失，IPM（Intelligent Power Module，智能功率模塊）應運而生。這種新型模塊將功率開關器件和驅(qū)動電路集成在一起并設有過電壓、過流、過熱等保護電路，與普通IGBT 相比在可靠性上有進一步的提高，他可以將檢測到的故障信號送到處理器進行中斷處理，即使發(fā)生過流或短路等故障也不至于損壞IPM 本身。

結(jié)合安川VARISPEED G7 系列變頻器與YS1000 系列變頻器在實踐中出現(xiàn)的故障分析IPM 較IGBT 的優(yōu)越性。

1 IGBT 與IPM 的結(jié)構(gòu)比較

1.1 典型的IGBT 電路

IGBT 的開關作用是通過加正向柵極電壓給PNP 提供基極電流，導通IGBT。若要關斷IGBT 則加反向門極電壓切斷基極電流。其等效電路如圖1 所示。IGBT 的缺點是短路容量小，可靠性較差，這就要求有快速的過流檢測功能以便在幾微秒的時間內(nèi)切斷IGBT。

1.2 智能功率模塊IPM 結(jié)構(gòu)

圖1 一般IGBT 等效電路

IPM 模塊有6 單元或7 單元結(jié)構(gòu)，這種中大功率的IPM采用的是陶瓷基板做絕緣構(gòu)造[1]。最初代的IPM 內(nèi)部由封裝好的獨立元器件在同一基板上密集封裝，雖具備IPM 的基本保護功能，但體積大的缺點也顯而易見；第二代IPM 產(chǎn)品是將控制部分根據(jù)功能分別集成為幾個芯片再與IGBT 組裝在一起，其可靠性有了很大提高；最新一代的IPM 產(chǎn)品其控制部分已集成為一個芯片，并且將控制芯片與主控元件貼裝在不同基板上，以避免IGBT 本身因發(fā)熱影響控制部分的可靠性[2]。IPM 保護功能原理圖如圖2 所示，其內(nèi)部裝有欠壓、過流、短路、過熱等故障檢測電路，當發(fā)生過載等故障或使用不當時，故障信號將送到DSP 或CPU 中做中斷處理，保護IPM模塊。

圖2 IPM 保護功能原理

1.3 IPM 功率模塊的優(yōu)勢

IPM 即使用IGBT 開關元件，并內(nèi)部集成有傳感器及驅(qū)動電路，因此他與傳統(tǒng)IGBT 相比更具可靠性。

IPM 的開關速度與IGBT 基本相同，IPM 內(nèi)的驅(qū)動電路緊靠IGBT，因此驅(qū)動起來延時較小，相應的損耗小；但IPM 可以快速的進行過流、過熱保護。IPM 實時檢測IGBT 電流，當發(fā)生嚴重過載或直接短路時，IGBT 將被軟關斷，同時送出一個故障信號，在過熱保護中，IPM 在靠近IGBT 的絕緣基板上安裝一個溫度傳感器，當基板過熱時，IPM 內(nèi)部控制電路將截止柵極驅(qū)動，不響應輸入控制信號；同時，在串聯(lián)的橋臂上，有驅(qū)動信號互鎖，能夠有效防止上下臂同時導通；當?shù)陀隍?qū)動控制電源（一般為15 V）就會造成驅(qū)動能力不夠，增加導通損壞。IPM自動檢測驅(qū)動電路，當?shù)陀谝欢ㄖ党^10 μs 時，將截止驅(qū)動信號。

目前，第三代IPM 采用高速型IGBT，輸出時轉(zhuǎn)換效率可達96%以上，與早期IGBT 相比，其開關損耗減少了30%[3]。開關速度快，驅(qū)動電流小，控制簡單，隨著技術(shù)的進步，IPM 的保護功能仍在日臻完善；在經(jīng)濟性上，IPM 的售價已趨近于傳統(tǒng)IGBT 模塊，但由于故障率相比傳統(tǒng)IGBT 更低，節(jié)省了維修時間與器件損耗，其性價比較之IGBT 大大提高。

2 安川變頻器在同一故障下IPM 與IGBT 的表現(xiàn)與分析

某港一期、二期的門座式起重機分別采用安川VARISPPED G7（以下簡稱G7）系列變頻器與安川VARISPPED YS1000（以下簡稱YS1000）系列變頻器，當同樣發(fā)生變頻器和電極間引線對地或相間短路的故障時，G7 系列變頻器內(nèi)的IGBT 模塊與YS1000 系列變頻器內(nèi)的IPM 模塊表現(xiàn)出不同的故障形式，其中G7 系列報PUF 故障，YS1000 系列報SC 故障，具體分析如下。

2.1 G7 變頻器PUF 故障

“PUF，保險絲熔斷故障”。G7 系列變頻器出現(xiàn)PUF 報警后，G7 變頻器內(nèi)部的快熔會迅速熔斷，故障一相的IGBT 將會損壞，變頻器驅(qū)動板也會損壞。這是因為當變頻器發(fā)生故障時會產(chǎn)生瞬間的尖峰電流，檢測系統(tǒng)的動作時間要遠大于IGBT的響應時間，因此IGBT 將首先被擊穿，接下來直流母線和輸出相之間的兩個快熔動作以避免故障擴大[5]。但熔斷器是參數(shù)一致性不理想的熱熔元件，若熔斷器動作稍有延遲，短路電流將急劇上升導致IGBT 炸裂，IGBT 的輸出極（C）與控制極（G）短路損壞驅(qū)動板的光耦元件PC923 或PC929，這是因為驅(qū)動板是通過光耦隔離電路將強電與門極驅(qū)動信號的弱電隔離，而能損壞到IGBT 的電壓或電流一定可以擊穿隔離電路上的光耦元件。

當變頻器PUF 報警后，不可盲目更換熔斷器后通電試車，要仔細測量外圍線路，找到損壞的元器件以避免更換后故障擴大造成更多的元件損壞，下面以G7 系列逆變器說明檢修PUF故障的基本步驟：

（1）發(fā)生故障后先斷開動力電源，待變頻器電源板上紅燈熄滅后拆下變頻器U、V、W 的輸出線，將電機線也拆下，用兆歐表分段量線路、電機及連接線路端子的絕緣，在潮濕的夏天一般阻值應至少在4 MΩ 以上才正常，并檢查電纜是否有破皮等現(xiàn)象。PUF 故障絕大部分情況都由外部線路對地或短路造成，因此一定要仔細查出外圍故障才可更換備件通電試車。

（2）用指針式萬用表10 KΩ 檔測量變頻器U、V、W 對直流母線P、N 的阻值是否平衡，若任意一相的阻值趨近0 則該相的IGBT 已被擊穿，需要更換整相的IGBT。

（3）測量其他相IGBT 是否有損壞，測量的方法為選擇指針萬用表的10 KΩ 檔，這是因為萬用表1 KΩ 以下各檔電池電壓低不足以導通IGBT。將紅黑表筆分別對IGBT 的集電極（C）與發(fā)射極（E），此時阻值應該為無窮大。用手同時觸碰IGBT 的柵極（G）和集電極（C）此時IGBT 被觸發(fā)導通，萬用表阻值迅速變小并能站住保持在某一位置。再用手觸IGBT 的柵極（G）和發(fā)射極（E），此時IGBT 被阻斷，萬用表阻值變大。需要注意的是測量IGBT 后一定要關斷IGBT 即短接發(fā)射極和柵極，否則送電后可能會造成IGBT 炸裂。

（4）測量浪涌吸收電阻是否被擊穿，其正常阻值應為5 Ω。測量RC 阻容吸收模塊是否被擊穿，其R1 與C1、E2 分別為單相導通的特性，R1 與AK 有電容特性。

待故障原因徹底找到及完成上述檢查步驟后才可更換驅(qū)動板、快熔及IGBT 并送電試車。

2.2 YS1000 變頻器SC 故障

SC，檢出輸出短路、接地短路或IGBT 故障，是YS1000 系列變頻器常見的故障，造成SC 故障的原因與造成G7 系列PUF 故障的原因基本一致，但YS1000 系列變頻器內(nèi)部并沒有配置快速熔斷器，因為其內(nèi)部的IGBT 模塊已經(jīng)由新型的IPM功率模塊替代。在使用IPM 功率模塊后，如果負載發(fā)生短路則IGBT 的上下橋臂同時導通，通過檢測IGBT 集電極電流進行過電流及短路保護，當電流超過容許值的幾微秒時間后，IPM將軟關斷的同時輸出一個固定寬度的故障信號，對于小于此寬度的短路電流不進行響應，因此即使IGBT 承受了大電流，IPM 模塊也不一定損壞，相比使用IGBT 模塊可靠性自然得到提高。

當YS1000 變頻器報SC 故障時，迅速斷開動力電源，待電源板上紅色指示燈熄滅后拆下變頻器輸出側(cè)U、V、W 線纜。此時仍然用用指針式萬用表10 KΩ 檔測量變頻器U、V、W 對直流母線P、N 的阻值是否平衡，若三相平衡，此時可以在不掛U、V、W 三根電纜的情況下通電看變頻器是否仍然報SC 故障，若故障消失，將變頻器手動給定10%的頻率運行，按RUN 鍵運行再次觀察是否有SC 故障報出，若無故障報出，則IPM 功率模塊并未損壞，只需檢查外圍線路或電機是否有對地、短路、線皮破損等現(xiàn)象，待排除外圍線路的故障后，接上U、V、W 三根輸出線纜試車；若測量U、V、W 三相與P、N 阻值不平衡，或拆除U、V、W 三相線通電的過程中報SC 故障，此時可以認為IPM 功率模塊損壞，需要拆機檢查IPM 功率模塊。因為IPM 模塊本身內(nèi)置了驅(qū)動保護電路，因此檢測安川IPM 功率模塊的好壞在判斷上共有3 種可能：①驅(qū)動板壞；②IPM 模塊本身壞；③IPM 模塊與驅(qū)動板同時壞。判斷驅(qū)動板的良好比較困難，在實際生產(chǎn)工作中若時間不允許測量無把握，建議先更換驅(qū)動板。檢測IPM 功率模塊的方法是直接用萬用表檢測C、E 之間的二極管是否單相導通。

3 結(jié)束語

使用IPM 智能功率模塊的整流、逆變設備與普通的IGBT相比，在系統(tǒng)性能和可靠性上有進一步提高。由于IPM 的通態(tài)損耗和開關損耗都比較低，使得散熱器減小繼而系統(tǒng)尺寸也減小；所有的IPM 均采用同樣的標準化與邏輯電平控制電路相連的柵極控制接口，在產(chǎn)品系列擴充時無需另行設計電路，這些優(yōu)點都是IPM 在維修過程中帶來的方便。但是在實際的維修工作中必須避免重復故障而導致的結(jié)溫升高損壞IPM。因此當設備發(fā)生SC 故障后，不要直接對整機連續(xù)復位試車，一定要仔細檢查外圍電路及IPM 功率模塊的損壞情況，排除故障后再進行試車。