变频器逆变电路维修探讨

西门子6SE70系列变频器逆变电路主要由IGBT、IGD、电容等组成，其中IGBT是整个逆变电路的核心，IGD则提供了对IGBT的触发、监控和保护功能，本文对6SE70系列变频器逆变电路核心部分的构成及常见损坏原因进行简单阐述。1绝缘栅双极型晶体管（IGBT）1．1IGBT常见的故障及诊断从IGBT的构成原理可以看出栅极和发射极之间有较大的相邻面积且被一层极薄的二氧化硅绝缘栅隔开，形成了一个电容，所以正常状态下的IGBT可以在G－E之间测量到电容特性，并且IGBT的容量越大电容值就越高。在制造工艺上为了提高IGBT的效率，二氧化硅绝缘栅做得非常薄，因此其耐压值较低，西门子逆变器所使用的IGBT的G－E之间的耐压值只有20V，超过该电压将导致绝缘栅被击穿而损坏IGBT，此时CG－E的电容特性将消失，所以通过测量CG－E电容特性是否存在可判断G极是否损坏。同样，测量CG－C和CE－C也可判断C和E的情况。1．2IGBT常见的损坏原因1．2．1dv／dt造成的栅极击穿由于G－C和G－E之间均存在着电容特性，当栅极悬空时，若在C－E之间忽然加上一个高电压，该电压将给CCG和CGE充电，造成栅极电位超过20V从而击穿绝缘栅。因此在使用绝缘表测试IGBT耐压时必须用导体短接GE。在安装IGD时也必须保证栅极与IGD可靠接触。在IGD上存在一个短接于G－E之间的高阻值电阻RGE以防止充电时电压升高带来的dv／dt击穿IGBT。同时在关断IGBT时也能起到快速释放栅极电荷加速关断的作用。图11．2．2擎住效应IGBT内部存在一个等效的PNP和一个等效的NPN三极管，这两个三极管又组成一个等效的晶闸管。正常工况下NPN三极管不起作用，而当电流超出一定范围，该三极管会导致IG-BT失控，产生擎住效应。当擎住效应发生后，门极将完全失去对IGBT的关断能力，IGBT会一直导通直至烧毁。1．2．3过流损坏IGBT工作时需要在栅极加一个正电压以吸引P沟道的电子形成一个临时的N性半导体区域，N性半导体区域的厚度由栅极电场强度决定，栅极电场强度越弱，则该区域越薄，IGBT的通态电阻越大，管压降和热耗损也就越大。在不同触发电压下，IGBT允许流过的电流是不同的。若实际电流超过IGBT的额定值将可能导致IGBT损坏。当流过IGBT的电流超过最大允许电流但小于发生擎住效应的电流时，虽然可以通过外部电路关断IGBT以进行过流保护，但这样的保护对IGBT的使用寿命是有影响的，一般的IGBT可承受过流保护次数在1000次左右，超过后将会损坏IGBT。1．2．4散热不良造成的热击穿当IGBT流过大电流时会产生很大的热量，以型号为FZ1200R12KF4的IGBT为例，其在25℃下运行时的最大功耗可达7．8kW，虽然散热器上安装有温度传感器，具有热保护的功能，但当IGBT与散热器之间的导热硅脂过厚或过少时，IGBT释放的热量无法正常传递到散热器，在温度传感器尚未探测到过温前IGBT可能已经损坏了。2IGD2．1IGD的基本构造及工作原理IGD从构造上可以分为三大块：DC－DC隔离电源、关断／触发电路和UCE监控电路。其中，隔离电源将PSU提供的直流电压进行中频振荡后输入到隔离变压器的初级线圈，通过二极管和电容对隔离变压器次级线圈的输出电压整流平波后为IGD供电。使用隔离电源进一步稳定了IGBT的触发电压，防止电压波动损坏IGBT的触发端；当IGD损坏时隔离电源也可以防止功率部分的高压串入PSU造成更大范围的破坏。6SE70系列变频器的隔离电源输入电压为15V，MicroMaster和SINAMICS系列的隔离电源输入电压为24V。2．2IGD的功能2．2．1触发IGBT如图2所示，当光耦TS1收到从控制电路发送来的触发信号后，A点转为低电平，Q2截止，D点转为高电平，Q4导通，Q5截止。IGBT门极转为高电平，由于稳压管D4的存在，IGBT的发（下转第136页）变频器逆变电路维修探讨丁斌（山钢集团济南分公司检修公司宽厚板部，山东济南250101）陈怀波（山钢集团济南分公司检修公司气体部，山东济南250101）摘要对西门子6SE70系列逆变器逆变电路核心部分IGBT和IGD的构成及常见损坏原因进行了简单阐述。关键词：逆变器，IGBT，IGD，原理，维修AbstractThispaperconstitutesthecommoncausesofdamageofIGBTandIGD,whicharethecorepartofSiemens6SE70se-riesinvertercircuit．Keywords:inverter,IGBT,IGD,principle,repair变频器逆变电路维修探讨134提高电气系统安全性能的研究与应用（上接第134页）射极的电压被钳制在5V左右，