变频器驱动电路的原理

1 引言 交流变频调速技术是现代电力传动技术重要发展方向 随着电力电子技术 微电子技术和 现代控制理论在交流调速系统中的应用 变频交流调速已逐渐取代了过去的滑差调速 变 极调速 直流调速等调速系统 越来越广泛的应用于工业生产和日常生活的许多领域 随着变频调速器的广泛应用 许多工程技术人员对它也有了相当的了解 一般通用型变频器 大致包括以下几个部分 1 整流电路 2 直流中间电路 3 逆变电路 4 控制电路 而产生可 调电压和可调频率的逆变电路 又应该是变频器各组成部分的核心技术 2 驱动电路 逆变电路主要包括 逆变模块和驱动电路 由于受到加工工艺 封装技术 大功率晶体管元 器件等因数的影响 目前逆变模块主要由日本 东芝 三菱 三社 富士 三肯 及欧美 西门子 西门康 摩托罗拉 ir 等少数厂家能够生产 驱动电路作为逆变电路的一部分 对变频器的三 相输出有着巨大的影响 驱动电路的设计一般有这样几种方式 1 分立插脚式元件组成的驱 动电路 2 光耦驱动电路 3 厚膜驱动电路 4 专用集成块驱动电路等几种 1 分立插脚式元件的驱动电路分立插脚式元件组成的驱动电路在 80 年代的日本和台湾变 频器上被广泛使用 主要包括日本 富士 g2 g5 三肯 svs svf mf 春日 三菱 z 系列 k 系列等 台湾 欧林 普传 台安 等一系列变频器 随着大规模集成电路的发展及贴片工艺的出现 这 类设计电路复杂 集成化程度低的驱动电路已逐渐被淘汰 2 光耦驱动电路光耦驱动电路是现代变频器设计时被广泛采用的一种驱动电路 由于线 路简单 可靠性高 开关性能好 被欧美及日本的多家变频器厂商采用 由于驱动光耦的 型号很多 所以选用的余地也很大 驱动光耦选用较多的主要由东芝的 tlp 系列 夏普的 pc 系列 惠普的 hcpl 系列等 以东芝 tlp 系列光耦为例 驱动 igbt 模块主要采用的是 tlp250 tlp251 两个型号的驱动光耦 对于小电流 15a 左右的模块一般采用 tlp251 外围 再辅佐以驱动电源和限流电阻等就构成了最简单的驱动电路 而对于中等电流 50a 左右的 模块一般采用 tlp250 型号的光耦 而对于更大电流的模块 在设计驱动电路时一般采取在 光耦驱动后面再增加一级放大电路 达到安全驱动 igbt 模块的目的 3 厚膜驱动电路厚膜驱动电路是在阻容元件和半导体技术的基础上发展起来的一种混合 集成电路 它是利用厚膜技术在陶瓷基片上制作模式元件和连接导线 将驱动电路的各元 件集成在一块陶瓷基片上 使之成为一个整体部件 使用驱动厚膜对于设计布线带来了很 大的方便 提高了整机的可靠性和批量生产的一致性 同时也加强了技术的保密性 现在的 驱动厚膜往往也集成了很多保护电路 检测电路 应该说驱动厚膜的技术含量也越来越高 4 专用集成块驱动电路现在还出现了专用的集成块驱动电路 主要由 ir 的 ir2111 ir2112 ir2113 等 其它还有三菱的 exb 系列驱动厚膜 三菱的 m57956 m57959 等驱动厚膜 此外 现在的一些欧美变频器在设计上采用了高频隔离变 压器加入了驱动电路中 如丹佛斯 vlt 系列变频器 应该说通过一些高频的变压器对驱动电 路的电源及信号的隔离 增强了驱动电路的可靠性 同时也有效地防止了强电部分的电路 出现故障时对弱电电路的损坏 在实际的维修中我们也感觉到这种驱动电路故障率很低 大功率模块也极少出现问题 在我们平时的日常生产使用中 大功率模块损坏是一种常见 的故障现象 3 故障现象分析 损坏的原因可能是多种多样的 马达短路 对地绝缘不好 电机堵转 外部电源电压过高 都有可能造成变频器大功率模块的损坏 我们在实际维修中更换大功率模块时一定要确定 驱动电路的正常工作 否这更换后很容易引起大功率模块的再次损坏 另外我们也要了解 gtr 模块和 igbt 模块驱动电路的区别 两种功率模块前者为电流驱动 后者则是电压驱动 随着电子元器件 大规模集成电路的发展 驱动电路也在不断向着高集成化方向发展 而 且功能在不断扩大 性能也在不断提高 同时也对我们这些从事变频维修行业的人提出了 更高的要求 以上只是本人在变频维修中的一些心得 同时也希望从事这行业的人多多沟通 交流 测量驱动电路输出的六路驱动脉冲的电压幅度都符合要求 如用交 流档测量正向激励脉冲电压的幅度约 14V 左右 负向截止电压的幅 度约 7 5V 左右 不同的机型有所差异 对驱动电路经过以上检查 一般检修人员就认为可以装机了 此中忽略了一个极其重要的检查 环节 对驱动电路电流 功率 输出能力的检查 很多我们认为 已经正常修复的变频器 在运行中还会暴露出更隐蔽的故障现象 并由此导致了一定的返修率 变频器空载或轻载运行正常 但带上一定负载后 出现电机振动 输出电压偏相 频跳 OC 故障等 故障原因 A 驱动电路的供电电源电流 功率 输出能力不足 B 驱动 IC 或驱动 IC 后置放大器低效 输出内阻变大 使驱动脉 冲的电压幅度或电流幅度不足 C IGBT 低效 导通内阻变大 导 通管压降增大 C 原因所导致的故障比例并不高 而且限于维修修部的条件所限 如无法为变频器提供额定负载试机 但 A B 原因所带来的隐蔽性 故障 我们可以采用为驱动增加负载的方法 使其暴露出来 并进 而修复之 从面能使返修率降到最低 IGBT 的正常开通既需要幅值足够的激励电路 如 12V 以上 更需 要足够的驱动电流 保障其可靠开通 或者说保障其导通在一定的 低导通内阻下 上述 A B 故障原因的实质 即由于驱动电路的功 率输出能力不足 导致了 IGBT 虽能开通但不能处于良好的低导能 内阻的开通状态下 从而表现出输出偏相 电机振动剧烈和频跳 OC 故障等 让我们从 IGBT 的控制特性上来做一下较为深入的分析 找出故障 的根源所在 一 IGBT 的控制特性 通常的观念 认为 IGBT 器件是电压型控制器件 为栅偏压控制 只需提供一定电平幅度的激励电压 而不需吸取激励电流 在小功 率电路中 仅由数字门电路 就可以驱动 MOS 型绝缘栅场效应管 做为 IGBT 输入电路恰好具有 MOS 型绝缘栅场效应管的特性 因 而也可视为电压控制器件 这种观念其实有失偏颇 因结构和工艺 的原因 IGBT 管子的栅 射结间形成了一个名为 Cge 的结电容 对 IGBT 管子开通和截止的控制 其实就是 Cge 进行的充 放电控制 15V 的激励脉冲电压 提供了 Cge 的一个充电电流通路 IGBT 因 之而开通 7 5V 的负向脉冲电压 将 Cge 上的 已充电荷强行拉 出来 起到对充电电荷的快速中和作用 IGBT 因之而截止 假定 IGBT 管子只对一个工作频率为零的直流电路进行通断控制 对 Cge 一次性充满电后 几乎不再需要进行充 放电的控制 那么 将此电路中的 IGBT 管子说成是电压控制器件 是成立的 而问题 是 变频器输出电路中的 IGBT 管子工作于数 kHz 的频率之下 其 栅偏压也为数 kHz 频率的脉冲电压 一方面 对于这种较高频率的 信号 Cge 的呈现出的容抗是较小的 故形成了较大的充 放电电 流 另一方面 要使 IGBT 可靠和快速的开通 力争使管子有较小 的导通内阻 在 IGBT 的允许工作区内 就要提供尽可能大的驱 动电流 充电电流 对于截止的控制也是一样 须提供一个低内 阻 欧姆级 的外部泄放电路 将栅 射结电容上的电荷极快地泄放 掉 大家都知道电容为储能元件 本身不消耗功率 称为容性负载 但 正犹如输 配电线路的道理一样 除了电源必须提供容性元件的无 功电流 无功功率 外 这使得电源容量变大 无功电流也必然 带来了线路电阻上的损耗 线损 驱动电路的功率损耗主要集中 在栅极电阻和末级放大管的导通内阻上 我们常看到 尤其是大 功率变频器 驱动电路的输出级其实是一个功率放大电路 常由 中功率甚至大功率对管 几瓦的栅极电阻等元件构成 说明 IGBT 的驱动电路是消耗一定功率的 是需要输出一定电流的 而从上述分析可看出 应用在变频器输出电路的 IGBT 管子 恰恰 应该说是电流或说是功率驱动器件 而不纯为电压控制器件 二 装机前最后一个检测内容 为最大可能地降低返修率 在对驱动电路进行三 四节的全面检测 后 不要漏过对驱动电路的带负载能力这样一个检查环节 方法如下 对驱动电路带负载能力的测量电路 上图为 DVP 1 22kW 台达变频器的 U 相上臂的驱动电路 图中 GU EU 为脉冲信号输出端子 外接 IGBT 的 G E 极 检修驱动 板时已与主电路脱离 虚线框内为外加测量电路 为电源 驱动板上 电后 配合启动和停止操作 在 m n 点串入直流 250mA 电流档 与 15 3W 的外加测量电阻构成回路 检测各路驱动电路的电流输 出能力 测得启动状态 有五路输出电流值均在 150mA 左右 其 中一路输出电流仅为 40mA 装机运行后跳 OC 的故障原因正在于 此 该路驱动电路的驱动能力大大不足 停机状态 测得各路负电 压供电的电流输出能力均为 50mA 左右 负压供电能力正常 串接 RC 起到限流作用 其取值的原则 选取电阻值及功率值与 栅极电阻相等 上图中 DR45 的参数值 以使检测效果明显 对驱动电路做过功率输出能力的检测 可以确定驱动电路完全正常 了 在驱动电路与主电路连接的试机过程中 请先以低压 24V 直流 电源为逆变电路供电 测试驱动电路和逆变电路正常后 再恢复逆 变回路的正常供电 如手头无低压直流电源 起码应在逆变供电回 路串接两只 45W 灯泡或 2A 保险管 试机正常后 才接入逆变电路 的原供电 上述对驱动电路的上电检测 是在脱开与主电路 IGBT 的连接后 进行的 整机连接状态下 不得测量驱动电路的输入 输入侧 会 因人体感应和表笔引入干扰信号 使 IGBT 受触发误码导通 造成 模块的炸裂 驱动电路输出能力的不足 由以下两方面的原因造成 A 电源供电能力不足 空载情况下 我们检测输出正 负电压 往往达到正常的幅度要求 即使带载 如接入 IGBT 后 情况下 虽然对 Cge 的瞬时的充电能力不足 但因充电时间太短 我们往往 也测不出供电电压的低落 不带上电阻负载 这种隐蔽故障几乎不 能被检测出来 电路电路的常见故障为滤波电容失容 如上图中 DC41 因长期运行中电解电容内部的电解液干涸 其容量由几百微 法减小为几十微法 甚至为几微法 另外 可能有整流管低效 如 正向电阻变大等 也会造成电源输出能力不足 B 驱动 IC 内部输出电路不良或后置放大器 DQ4 DQ10 导通内阻 变大等 如带载后检测电源电压无低落现象 检测 T250 输出电压 偏低 则为 T250 不良 否则更换 DQ4 DQ10 等元件 DR40 DR45 等阻值变大的现象比较少见 需要说明的是 正向激励电压的不足 只是表现出电机振动剧烈 输出电压偏相 频繁跳 OC 故障等现象 虽然有可能使电机绕组中 产生直流成分出现过流状态 但对模块构不成一投入运行信号即爆 裂的危害 而负向截止电压的丢失 负压供电回路的故障造成负栅 偏压回路阻断 则表现出上电时正常 一按动启动按键 IGBT 逆 变模块便会发出 啪 的一声马上爆裂的故障 这是为何呢 三 IGBT 截止负压丢失后的危害 除了在全速运行下负载突然短路造成的损坏外 过流 过载 过欠 压等 所有故障的危害性都要远远小于栅偏压回路开路对 IGBT 的 危害 说到这一点 广大维修人员都会深有体会的 维修人员吃 这样的不应该吃的亏是太多了啊 检修过程中漏焊了栅极电阻 DR45 在装机过程中粗心大意间只插 好了上臂 IBGT1 的触发插头 而忘记了连接下臂 IGBT 触发端子 而使 IGBT2 驱动信号引入端子被空置 上电后 不投入起动信号 还没有问题 一旦投入启动信号 那就毫无商量 模块坏掉 长期 的维修工作中 我已经养成了一个习惯 上电后启动操作前先停一 会儿 观察一下驱动脉冲输出端子是否已经连接完好 检查每路都 连接完好后 再按下启动按键 我常常觉得这轻轻的一点有千钧之 重啊 驱动电路与逆变输出电路都是正常的状态下 只漏插了一 只驱动脉冲的信号端子 必会造成 IGBT 模块与驱动电路的再次严 重损坏 致使前功尽弃呀 IGBT 结电容等效图 如同双极性器件 三极管一样 三线元件也必然形成了内部三只 等效电容 而 IGBT 内部的 Cge 却不是寄生性的 是工艺与结构所 形成 Cce 电容我们不要去管它 对 IGBT 能起到毁灭性作用的是 Ccg 和 Cge 两只电容 上图为下臂 IGBT 的触发端子开路时的情形 上电后 IGBT1 因驱 动电路的接入 负的截止电压加到 G E 极上 能将其维持在可靠 的截止状态 变频器运行信号的莽撞投入 使 IGBT1 受正向激励脉 冲电压驱动而开通 U 端子即 IGBT2 的 C 极马上跳变为 530V 的 直流高压 此跳变电压提供了 Ccg Cge 两只电容的充电回流回路 在 IGBT1 开通期间 IGBT2 也为此充电电流所驱动 而近于同时开 通 两管的共通形成了对 P N 端的 530V 供电电源的短路 啪啦 一声 两只管子都炸掉了 假如上管的信号端子是空置的 而下管 接入了驱动电路 同样 下管的导通 也会因同样的原因使两管损 坏 假定 IGBT2 的 G E 极上 尚并联有栅极旁路电阻 如 IGBT1 栅 控回路中的 R 旁 将对上述充电电流形成旁路作用 两管共通的 可能性会降低一些 再假定在上管导通期间 下管的 G E 极间有 7V 左右截止负压的存在 正向的充电电流为栅负偏压所中和和吸收 远远达不