变频器IGBT模块常见故障的处理与检测方法

一、什么是IGBT

绝缘栅双极晶体管（IGBT）是由BJT（双极结型晶体管）和MOS（绝缘栅场效应晶体管MOSFET）组成的复合全稳压驱动功率半导体器件，结合了MOSFET的高输入阻抗和GTR低导通状态和低压降的优点。

二、IGBT的结构

左边是N沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构，N+区域称为源极区域，附着在其上的电极称为源极（发射极E）。N碱称为排水区。器件的控制区域是栅极区域，附着在其上的电极称为栅极（栅极G）。在栅极区域边界旁边形成的通道及其形成的地方称为子通道区域，即C极和E极之间的P型区域（包括P+和P区域）。

漏极注入器是另一侧的P+区域，是IGBT特有的功能区域，它通过充当发射极与漏极和子通道区域一起形成PNP双极晶体管，并通过向漏极注入孔和传导传导调制来降低器件的导通状态电压。连接到排水注入器的电极称为排水器（收集器C）。

IGBT的开关可以通过增加正向栅极电压形成通道，并通过向PNP（以前称为NPN）双极晶体管提供基极电流来打开IGBT。相反，它可以通过增加反向栅极电压来消除通道，并通过切断基极电流来关闭IGBT。要驱动IGBT只需要控制输入极点N沟道MOSFET，它具有高输入阻抗的特点，与MOSFET的方法基本相同。MOSFET沟道形成后，从P+基极注入N层的空穴在N层上进行电导调制，降低其电阻，使IGBT在高电压下具有低导通状态电压。

三、IGB模块原理电路分析

IGBT模块有三个端子，G，D和S.内部电子在G和S上施加电压后会转移（半导体材料的特性，这也是半导体材料用作电力电子开关的原因）。原本正离子一个接一个地对应负离子，半导体材料是中性的，但电压的施加导致电子积聚到一侧并形成导电通道。电子以其导电特性成为导体。如果GS两端的电压被移除，导电通道消失并成为绝缘体。

如果在栅极和IGB模块T的发射极之间施加正驱动电压，MOSFET将导通，并且晶体管也以在集电极和PNP晶体管基极之间形成的低电阻状态导通。如果栅极和IGBT的发射极之间没有电压，MOSFET关断，从而切断PNP晶体管的基极电流电源并关闭晶体管。

四、IGBT模块常见故障处理

变频器由主电路、电源电路、IGBT驱动、保护电路、散热风扇等组成。其结构多为单元形式或模块化形式。由于使用不正确和环境设置不合理，转换器可能无法正常工作以满足预期的操作结果。为了防止这种情况，有必要提前仔细分析故障的原因。

1.主电路常见故障分析

主电路主要由三相或单相整流桥、平滑电容、滤波电容、IGBT变换桥、限流电阻、接触器等组成。许多常见的故障是由电解电容器引起的，电解电容器的寿命主要由电容器两端的直流电压和内部温度决定。其寿命通常取决于内部温度，因为在电路设计中已经选择了电容器类型。

因此，在安装过程中应考虑适当的环境温度，并采取措施减少脉动电流。为了延长电容器的使用寿命，可以使用功率因数更高的交流或直流电抗器来降低纹波电流。

静电容量相对容易测量，在维护电容器时，常用于判断电解电容器的劣化情况。更换电解电容器时，应考虑静电容量是否小于额定值的80%，绝缘电阻是否低于5
MΩ。

2. 主电路典型故障分析

症状：变频器在加速、减速或正常运行期间跳闸。

首先应区分故障是由负载还是变频器引起的。如果是由变频器引起的，则可以通过历史记录查询跳闸时的电流。如果在三相电压和电流平衡的情况下电流超过变频器的额定电流或电子热继电器的设定值，则可能会出现过载或突然变化，例如电机熄火。

负载惯量较大时可适当延长加速时间，不会损坏变频器。如果电流在变频器的额定电流和电子热继电器的设定范围内，则可以判断IGBT模块或相关部件出现故障。

首先，可以通过测量变频器主电路输出端U、V、W与直流侧P、N端之间的正负电阻来确定IGBT模块是否损坏。如果模块未损坏，则驱动电路可能出现故障。如果IGBT模块过流或变频器在减速过程中跳闸接地短路，则上半部分的转换器模块或其驱动电路出现故障。当IGBT模块在加速过程中过电流时，下半部分的模块或其驱动电路出现故障。这些故障大多是由外部灰尘进入变频器或潮湿环境引起的。

3. 控制回路失效分析

在控制回路中，影响变频器寿命的是电源，主要是IGBT电路板中的平滑电容和缓冲电容，原理同上。由于电容器焊接在电路板上，因此很难通过测量静电容量来判断劣化情况。并且通过电容器的脉动电流是一个恒定值，不会受到主电路负载的影响。因此，其寿命由温度和通电时间决定。

电源电路板为控制电路、IGBT驱动电路、表面操作显示面板和风扇供电。通过开关电源整流，这些电源一般都是从主电路输出的直流电压。因此，如果某个电源短路，不仅会损坏该电路的整流电路，而且电源的其他部分也可能受到影响。如果由于操作不正确导致控制电源与公共接地短路，并且电源电路板上的开关部分损坏，这将导致其他电源断电等。而这样的情况，通过观察电源电路板很容易发现。

转换器的核心是逻辑控制电路板。它聚集了CPU，MPU，RAM，EEPROM等大规模集成电路。并且可靠性高，故障概率低。有时启动可能会导致所有控制端子同时关闭，从而导致EEPROM堵塞。重置EEPROM将处理这种情况。

IGBT电路板包含驱动器电路、缓冲电路以及过压和缺相保护电路。来自逻辑控制板的PWM信号将通过光电耦合器将电压驱动信号输入IGBT模块。因此，在检测模式的同时，还应测量IGBT模块上的光电耦合器。

4. 冷却系统

冷却系统主要包括散热器和冷却风扇。冷却风扇的使用寿命较短。当使用寿命临近时，风扇产生振动，噪音增加，最后风扇停止，变频器跳闸，IGBT过热。冷却风扇的寿命受轴承限制，约为10000~35000h。当变频器连续运行时，应每
2 到 3 年更换一次风扇或轴承。为了延长风扇的使用寿命，某些产品的风扇仅在变频器运行时运行。

5.外部电磁感应的干扰

如果转换器周围有干扰源，它们会通过辐射或电源线侵入转换器，导致控制回路出现故障并运行异常或关机，甚至严重损坏转换器。减少噪声干扰的具体方法是：在转换器周围所有继电器和接触器的控制线圈上安装吸收装置，如RC浪涌吸收器，不超过20cm，以防止浪涌电压;

尽量缩短控制回路不超过5mm，与主电路保持10cm以上距离;当转换器远离电机（超过100m）时，可以增加导体的横截面积，以确保线路压降在2%以内。同时，应安装转换器输出电抗器，以补偿电容器因长距离引起的充电电流分布。

变频器的接地端子应按规定接地，并可靠地放置在专用接地点，切勿混焊、电源接地。安装在转换器输入端的无线电噪声滤波器可以降低输入更高的谐波，从而减少从电源线到电子设备的噪声影响。同时，安装在输出端的无线电噪声滤波器可以降低输出端的线路噪声。

五、变频器IGBT模块的检测方法

1. 判断极性

选择R*1KΩ，如果一极和其他两极的电阻是无穷大的，并且笔交换后电阻仍然是无限的，那么极点是G。另外两极再次测量，如果电阻是无限的，但在换笔后变低，则判断红笔连接到C，黑色笔连接到E。

2. J型万用表

选择R*10KΩ，黑笔连接C，红笔连接E，电阻为零。当手指同时触摸G和C并且万用表转向电阻较小的方向并指示某个值时，IGBT被触发打开。如果当G和E再次被触摸时IGBT停止，万用表指向零，则判断IGBT是正常的。

3. 测试注意事项

任何指针万用表都可用于检测IGBT。判断IGBT时必须选择R10KΩ，因为低于R1KΩ时电池内部电压过低，测试时IGBT无法开启，因此无法判断IGBT。该方法还可用于检测功率场效应晶体管（P-MOSFET）的质量。

六、变频器IGBT模块的静态测量

变频器中使用的IGBT模块是七单元集成模块（FP15R12KE3G），即三单元整流器，三单元逆变器和一体式制动器。模块具有温度自检单元，通过万用表的二极管文件测量。

1. 整流桥的静态测量

三相桥式整流器的电气原理图如下，其测量方法与普通二极管相同。

三相桥式整流器和IGBT的电气原理图

2. 变频器续流二极管的静态测量

转换器单元电气原理图

测量方法与普通二极管相同。通常，可以通过测量IGBT的续流二极管来判断损坏。

3. 制动单元的静态测量

图中，BRK是制动扳机端。根据使用环境，用户可以在端子P和PB之间连接制动电阻。电阻规格的选择参考KVFC+系列逆变器用户手册。

制动单元电气原理图

七单元IGBT测量参考

快速测量模块提示：将测试笔放在P端不动，另一支测试笔分别测量R、S、T、PB、U、V、W、N，然后与上表中的参考值进行比较。如果实际测量值离表的范围不远，则为正常值。

IGBT测量过程和结果