變頻�功率模塊顧名思義就是變頻器中功率電子電力器件按一定的功能組合再灌封成一�(gè)模塊。而變頻器本身是由控制單元和功率模塊組成的。一般情況下,變頻器功率模塊是通過采用外殼與外部電�端子的一體成型構(gòu)造,�(dá)到減少部件數(shù)量和減低�(nèi)部配�電感的目��
變頻器功率模塊內(nèi)部封裝一部分是由二極管組成的單相或三相橋式整流電�,另一部分是由六�(gè)IGBT�(絕緣柵雙極晶體管)和配合使用的六�(gè)阻尼二極管組成的三相橋式輸出電路�
上圖所示是P083A2003通用變頻器功率模塊的�(nèi)部結(jié)�(gòu)和引腳電路圖。R、S、T是電源輸入端,該模塊是交�220V供電�,R腳為空腳,內(nèi)部是單相橋式整流�
P1�+300V整流輸出正端,N1是整流輸出負(fù)�,此兩腳外接濾波電解電容,并通過互感線圈P1與P2連�,N l與N2連�,向六�(gè)IGBT管組成的輸出橋供��
三相輸出橋的上半橋三�(gè)IGBT管集電極都與電源正端相�,發(fā)射極分別是U、V、W三相輸出�,三�(gè)管的�(fā)射極與柵極又�(gòu)成三相上半橋�(qū)�(dòng)信號(hào)輸入端GU-U、GV-V、GW-W。三相輸出橋的下半橋三�(gè)IGBT管集電極分別與U、V、W相�,發(fā)射極都與電源�(fù)端相�,三�(gè)管的柵極與電源負(fù)端構(gòu)成三相下半橋�(qū)�(dòng)信號(hào)輸入端GX、GY、GZ,B是制�(dòng)控制��
此模塊內(nèi)部無制動(dòng)電路。TH是內(nèi)部熱敏電阻保�(hù)輸出端。其他型�(hào)的通用變頻器功率模塊的引腳和在電路板上的標(biāo)注雖然各有不�,但不難辨認(rèn)主要功能腳位�。高端產(chǎn)品采用智能型功率模塊,內(nèi)部包含驅(qū)�(dòng)電路和制�(dòng)電路,引腳相�(yīng)多一些�
功率模塊在路檢測(cè)(脫離電�(wǎng))時(shí),用指針萬用表R×l擋分別正反測(cè)量整流橋的六�(gè)二極管和輸出橋的六�(gè)IGBT管的集電極與�(fā)射極可判斷其是否擊穿,表l和表2是正常測(cè)量結(jié)�,否則內(nèi)部有擊穿元件。用指針萬用表Bx1k擋分別測(cè)量六�(gè)IGBT管的柵極與發(fā)射極間的電阻(驅(qū)�(dòng)信號(hào)輸入端)�(yīng)一�,有不同�(shí)則是�(qū)�(dòng)電路或IGBT管損壞。以上測(cè)量只能測(cè)出IGBT管擊穿性損�。測(cè)不出開路性損壞。把功率模塊從電路板上拆下后可對(duì)每�(gè)IGBT管�(jìn)行�(jìn)一步測(cè)�,方法如�1所�,表針在左邊表示不導(dǎo)�。表針在右邊表示�(dǎo)�。如不能使之�(dǎo)通和截止,則是該管損��
TLP251是變頻器常用的光耦驅(qū)�(dòng)電路,當(dāng)功率模塊擊穿�(shí)常殃及該電路。其�(nèi)部電路和�(cè)量方法如�2所�。當(dāng)②腳�(jīng)3kΩ電阻�10V電源斷開或接通時(shí)。⑥腳有0V�9V的高低電壓變��
例一:一�(tái)5.5KW
故障�(xiàn)象:靜態(tài)�(cè)量逆變模塊正常,整流模塊損��
故障分析:整流器損壞通常是由于直流負(fù)載過�,短路和元件老化引起。測(cè)量PN之間的反向電阻�,(紅表筆接P,黑表筆接N�,可以反映直流負(fù)載是否有過載短路�(xiàn)�。測(cè)出PN間電阻�150R,正常值應(yīng)大于幾十KR,說明直流負(fù)載有過載�(xiàn)象。逆變模塊是正常的可以排除,檢查濾波大電容,均壓電阻正�,測(cè)制動(dòng)開關(guān)元件損壞短路,拆下制�(dòng)開關(guān)元件�(cè)PN間電阻值正常�
故障原因:制�(dòng)開關(guān)元器件的損壞可能是由于變頻減速時(shí)間設(shè)定過�,制�(dòng)過程中產(chǎn)生較大的制動(dòng)電流而損�。整流模塊長(zhǎng)期處于過載狀況下工作而損��
故障處理:更換制�(dòng)開關(guān)元器件和整流模塊�
例二:一�(tái)11KW
故障�(xiàn)象:靜態(tài)�(cè)量逆變模塊正常,整流模塊損壞�
故障分析:測(cè)量PN之間的反向電阻值正�。初步認(rèn)定直流負(fù)載無過載、短路現(xiàn)�。在拆卸變頻器時(shí),發(fā)�(xiàn)主電路有過打火的痕跡,繼而發(fā)�(xiàn)短接限流電阻的繼電器觸點(diǎn)打火后燒壞連接在一�,這可能就是整流器損壞的原因所��
故障原因:變頻器通電瞬間,充電電流經(jīng)限流電阻限值后�(duì)濾波電容充電,當(dāng)PN間電壓升到接近額定值時(shí),繼電器�(dòng)�,短接限流電阻(俗稱軟啟電阻�。因繼電器是常開觸點(diǎn),由于損壞而觸�(diǎn)始終閉合,短接了限流電阻,導(dǎo)致整流器損壞�
故障處理:更換繼電器,整流模塊即可�
例三:一�(tái)22KW
故障�(xiàn)象:逆變模塊正常,整流模塊損�,運(yùn)行中�(bào)欠壓故障�
故障分析:打開機(jī)器在主電路發(fā)�(xiàn)異常,整流模塊的三相輸入端的V 相有打火的痕�;后來通電變頻器在輕負(fù)載運(yùn)行下正常,當(dāng)�(fù)載加到滿載時(shí)�(yùn)行一�(huì)就報(bào)欠壓。初步認(rèn)為整流模塊自然老化損壞,(已經(jīng)用三年多�
故障原因:由于變頻器不斷的啟�(dòng)和停�,加之電�(wǎng)電壓的不�(wěn)定或電壓過高造成整流模塊軟擊穿(就是處于半導(dǎo)通狀�(tài),沒有完全壞,低電流下還可運(yùn)行)�
故障處理:更換整流模�
例四:一�(tái)2.2KW
故障�(xiàn)象:整流模塊正常,逆變模塊損壞,報(bào)軟件過流故障�
故障分析:拆下機(jī)器主板先�(cè)�(yàn)�(qū)�(dòng)電路,在�(qū)�(dòng)電路上未�(fā)�(xiàn)異常。給直流信號(hào),檢�(cè)�(qū)支信�(hào),發(fā)�(xiàn)有一路驅(qū)�(dòng)輸出無負(fù)壓值。測(cè)量波形幅真明顯大于其它五路波�。檢�(cè)�(fù)壓上的濾波電容正�,檢�(cè)�(wěn)壓二極管Z2損壞�
故障原因:IGBT因驅(qū)�(dòng)信號(hào)電壓過高而損��
故障處理:更換穩(wěn)壓二極管�
例五:一�(tái)7.5KW
故障�(xiàn)象:整流模塊正常,逆變模塊損壞,報(bào)過流故障�
故障分析:打開變頻器,變頻器�(nèi)部堆積了厚厚的灰�,還有一些油污,變頻器輸出端不有明顯的打火過的痕�。清洗后檢查沒有什么異�??梢哉J(rèn)定是變頻器輸入端打火�(chǎn)生電流所致(由于變頻器的絕緣性降低了,所以通電就會(huì)打火�?�?�
故障原因:變頻器是電子產(chǎn)品需要維�(hù)保養(yǎng)和定期檢查維修,這對(duì)減少變頻器故障和延長(zhǎng)變頻壽命是非常重要的。國(guó)�(nèi)很多用戶�(duì)這一�(diǎn)還做得不夠,直到變頻器出�(xiàn)故障到維修還是沒有這�(gè)觀��
故障處理:清洗變頻器�(nèi)的灰�,更換IGBT模塊�(僅供參考)
熱計(jì)算是功率模塊選型的重要方面之一,目前發(fā)熱與可靠性計(jì)算正在逐步脫離靠經(jīng)�(yàn)估算或模仿的范疇,而被精確的仿真計(jì)算所取代�
20世紀(jì)90年代以來,IGBT(絕緣柵雙極晶體管)開始全面取代GTR(大功率雙極晶體管),從而成為電力電子行�(yè)的主�(dǎo)器件。以IGBT功率器件為基�(chǔ)的各種功率變換設(shè)備,如變頻器、不間斷電源、逆變焊機(jī)等逐步走向工業(yè)和民用的各�(gè)角落。特別是隨著新世紀(jì)的到�,人們節(jié)能環(huán)保意�(shí)普遍加強(qiáng),加之世界能源的日漸貧乏,電力電子器件與�(shè)備的�(yīng)用越來越得到人們的重視�
由于功率器件在開�(guān)�(yùn)行過程中,不可避免地�(chǎn)生大量的熱量,需要借助外部散熱系統(tǒng)來將之帶�。散熱不完全或不及時(shí)的直接后果是�(dǎo)致器件的溫度過高,芯片的晶體�(jié)�(gòu)�(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的變化而失效,�(yán)重時(shí)�(dǎo)致短路或其它爆炸事件。所以通過仿真�(jì)算與試驗(yàn),確保器件在任何�(yùn)行狀�(tài)下都不超過給定的溫度,是電力電子�(shè)備熱路設(shè)�(jì)的主要內(nèi)容�
另外,運(yùn)行在交變工況下的功率器件,其芯片的溫升隨�(fù)載而上下波�(dòng)。由于器件內(nèi)部相互連接(焊�、鍵�、壓接等)的各部分受熱后的膨脹程度不一�,于是在連接處產(chǎn)生應(yīng)�,時(shí)間久了連接�(huì)�(fā)生疲勞直至器件失效。試�(yàn)�(jié)果表�,器件的壽命主要與芯片溫度變化的幅度以及芯片的平均溫度有�(guān)。圖1顯示了著名的LESIT研究�(jié)� [1]�
所�,功率器件熱路計(jì)算的另一�(gè)任務(wù)是推算特定負(fù)載條件下器件的溫度變化曲�,�(jìn)而設(shè)�(jì)與預(yù)�(cè)器件的可靠性與壽命�
,通過�(duì)器件損耗的�(jì)算,�(duì)系統(tǒng)的散熱�(jìn)行評(píng)估或�(yōu)�,是安全、經(jīng)�(jì)地設(shè)�(jì)電力電子�(shè)備的一�(gè)重要組成部分�
器件功率損耗計(jì)算的原理
功率器件在運(yùn)行中,芯片內(nèi)部所�(chǎn)生的損耗可由下式表示:
在工程計(jì)算中,這一特性可以用一直線來近�,取該直線(b)與橫軸的交�(diǎn)(開啟電壓VT0)與直線的斜率(等效通態(tài)電阻rT)作為通態(tài)特性的基本參數(shù)。我們得到:
其中�
Iav為通態(tài)電流的平均��
Irms則為其有效值;
FI為電流波形系�(shù)�
功率器件在不同的�(yīng)用中,電流為正弦半波或脈沖方波,但均可由其有效值及平均值出�(fā)根據(jù)其通態(tài)特性來�(jì)算出其通態(tài)損��
同理可計(jì)算器件的正向或反向截止損�。但一般來說這部分損耗可忽略不計(jì)�
器件的開通或�(guān)斷損耗則可表�(dá)為:
其中�
為開�(guān)頻率�
為器件開�(guān)一次的開通或�(guān)斷損�。在�(qū)�(dòng)參數(shù)一定的情況下, 的值與直流母線電壓 、開通或�(guān)斷瞬間的�(fù)載電� 及芯片結(jié)� 有關(guān)�
正弦�(diào)制PWM逆變器的功耗與溫升�(jì)�
1992�,賽米控公司的D.Srajber首先提出了計(jì)算正弦調(diào)制的PWM逆變器的功耗與溫升的方法[2]。隨�,這一方法被廣大用戶以及其它制造商所接受和引用[3] [4] [5]。該方法采用�2所示的線性近似來�(jì)算一�(gè)正弦周期�(nèi)器件的平均損�,�(jìn)而得到芯片的平均�(jié)溫:
通態(tài)損耗:
M為調(diào)制比� 為負(fù)載功率因�(shù)�
為IGBT在集電極電流為零�(shí)的開啟電�� 為IGBT的通態(tài)電阻(輸出特性的斜率); 為二極管在正向電流為零時(shí)的開啟電�� 為二極管的通態(tài)電阻(輸出特性的斜率); 為開�(guān)頻率� 為輸出電流峰值�
大量的實(shí)�(yàn)證明,在逆變器輸出頻率為50Hz�(shí),這一�(jì)算方法的�(jié)果是相當(dāng)�(zhǔn)確的。盡管器件的�(shí)際功耗與輸出頻率同步波動(dòng),但由于芯片傳熱�(shí)間常�(shù)大大高于波動(dòng)的周期(=0.02s�,結(jié)溫的變化不太明顯,僅在上下數(shù)度左右(參考圖3,[6])。此�(shí),使用平均結(jié)溫來代替�(jié)溫在工程上是允許的�
逆變器低頻輸出時(shí)功耗與溫升的推�
�(dāng)逆變器的輸出頻率降低,呈正弦半波狀的輸出電流在同一只器件上的停留時(shí)間變�(zhǎng)。當(dāng)輸出電流在峰值附近時(shí),電流對(duì)芯片的作用時(shí)間也相應(yīng)延長(zhǎng)。而芯片的傳熱�(shí)間常�(shù)不變,芯片的�(jié)溫隨之迅速上升。頻率越低時(shí),這一上升就越明顯,在輸出頻率�1-2Hz�(shí),結(jié)溫甚�?xí)叱銎骄Y(jié)�20K以上。在輸出頻率接近0Hz�(shí),芯片所承受的電流近似為 倍于額定電流的直�,此�(shí)�(jié)溫達(dá)到值(�3)�
�3:不同基波輸出頻率下的結(jié)溫與平均�(jié)溫的�(guān)� [6]
在[4]�,對(duì)以上這一�(xiàn)象的研究�(dǎo)致了所謂頻率校正系�(shù)的引�。頻率校正系�(shù)
在計(jì)算低頻運(yùn)行的�(jié)溫時(shí),采用計(jì)算而得的平均結(jié)溫與殼溫之差,再乘以相應(yīng)頻率下的頻率校正系數(shù),便可得出結(jié)��
�(dāng)散熱條件改變�(shí),特別是�(dāng)散熱器有所不同�(shí),頻率校正系�(shù)的曲線略有變�,采用頻率校正系�(shù)來推算結(jié)溫的方法�(chǎn)生了一定的局限性�
逆變器低頻輸出時(shí)功耗與溫升的仿真計(jì)�
為了在低輸出頻率�(shí)更準(zhǔn)確地�(jì)算結(jié)�,可以先�(jì)算功率器件的瞬時(shí)功率損�。然后根�(jù)器件與散熱器的動(dòng)�(tài)傳熱模型�(jì)算出芯片的瞬�(tài)�(jié)溫。在�(jì)算中,芯片的溫度由其損耗所決定,而損耗又與芯片的參數(shù)相關(guān),后者最終隨芯片的溫度而變�。所�,計(jì)算過程是一�(gè)用迭代法來逐步逼�(jìn)的過��
另外在計(jì)算中,需要建立器件與散熱器的�(dòng)�(tài)傳熱模型。由[7]可知,兩者均可通過如圖5所示的串聯(lián)RC元件來等�。一般來說,在電力電子散熱系�(tǒng)�,使�3-5組RC元件便可以足夠精確地描述系統(tǒng)的各部分,如芯片-底�、底板-散熱�、散熱器-空氣等�
該等效模型中RC元件的參�(shù)可以通過�(shí)�(cè)器件或散熱器的發(fā)熱或冷卻曲線來獲�。為了給用戶提供方便,賽米控在其技�(shù)手冊(cè)中提供了所有器件的�(dòng)�(tài)熱參�(shù),以及部分典型散熱器的熱參數(shù)�
芯片在時(shí)刻tQ相對(duì)于時(shí)刻t0�(shí)的溫升可由下式計(jì)算:
其中�
為第Q�(gè)脈沖�(jié)束時(shí)的溫�,Q為一�(gè)脈沖序列所含脈沖的�(gè)�(shù)�
P為每�(gè)脈沖的功率損耗;其計(jì)算公式如本文第二節(jié)所�,其中VCE0、rCE等器件參�(shù)又為溫度T的函�(shù)�
� 為RC元件的參�(shù)�
在賽米控率先推出的SEMISEL仿真程序�,便采取了以上計(jì)算原� [8]。程序中迭代算法的公式及流程如下�
�(jì)算結(jié)�
采用以上方法�(jì)算三相逆變器在輸出電流為純正弦波情況下的器件及散熱器溫度如�6所示。由圖可清楚地看到結(jié)溫在電流周期性變化時(shí)隨時(shí)間而周期性變��
以上�(jì)算的�(jié)果可以用來檢查芯片的�(jié)溫以確保其在正常的范圍內(nèi)工作。在SEMISEL仿真程序�,程序直接根�(jù)�(jì)算出的溫度判定所選模塊是否恰�(dāng),并同時(shí)給出了器件的各類損�,便于用來作�(jìn)一步的分析和系�(tǒng)�(yōu)��
例如,利用SEMISEL,可以對(duì)�(xiàn)有散熱系�(tǒng)�(jìn)行評(píng)估或采用虛擬散熱器來�(shè)�(jì)散熱系統(tǒng)�
另外,在交變�(fù)載情況下,如�(jī)車牽�、電梯、卷�(yáng)�(jī)�,可以通過仿真器件溫度的波�(dòng)來預(yù)估器件的工作壽命。在這方�,一�(gè)典型的應(yīng)用例子是�(fēng)力發(fā)�。由于風(fēng)力的極其不確定�,對(duì)壽命的預(yù)�(cè)是建立在大量的長(zhǎng)�(shí)間測(cè)量基�(chǔ)上的。應(yīng)用上述方�,賽米控成功地處理了單次采樣�15000組的�(shù)�(jù),為客戶選型提供了可靠性參�(shù)�
還有,在給定�(yùn)行結(jié)溫的情況�,可以計(jì)算出器件的輸出電流與開關(guān)頻率及輸出頻率的�(guān)�。這樣就可以比較不同種類器件的電流輸出能力。圖7例示了不同開�(guān)頻率下某器件的輸出電流的仿真�(jì)算曲��
�7:不同開�(guān)頻率下的輸出電流仿真�(jì)算曲�
在仿真的基礎(chǔ)�,功率器件的選型(如不同種類器件之間的比較)、參�(shù)的優(yōu)化(如通過�(jì)算得到的開關(guān)頻率曲線、輸出頻率曲�、效率曲線等)、散熱系�(tǒng)的設(shè)�(jì)(熱阻的確定,熱路的�(yōu)化)變得非常�(jiǎn)單明�。仿真――按�(yōu)化方案設(shè)�(jì)樣機(jī)--試驗(yàn)�(yàn)證成為現(xiàn)代電力電子設(shè)�(jì)的必由之路�
維庫電子�,電子知�(shí),一查百通!
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