最新变频器驱动电路的原理

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！