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路，另一部分是由六個(gè)IGBT管(絕緣柵雙極晶體管)和配合使用的六個(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內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳電路圖。R、S、T是電源輸入端，該模塊是交流220V供電的，R腳為空腳，內(nèi)部是單相橋式整流。

　　P1是+300V整流輸出正端，N1是整流輸出負(fù)端，此兩腳外接濾波電解電容，并通過互感線圈P1與P2連通，N l與N2連通，向六個(gè)IGBT管組成的輸出橋供電。

　　三相輸出橋的上半橋三個(gè)IGBT管集電極都與電源正端相連，發(fā)射極分別是U、V、W三相輸出端，三個(gè)管的發(fā)射極與柵極又構(gòu)成三相上半橋驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端GU-U、GV-V、GW-W。三相輸出橋的下半橋三個(gè)IGBT管集電極分別與U、V、W相連，發(fā)射極都與電源負(fù)端相連，三個(gè)管的柵極與電源負(fù)端構(gòu)成三相下半橋驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端GX、GY、GZ,B是制動(dòng)控制端。

　　此模塊內(nèi)部無制動(dòng)電路。TH是內(nèi)部熱敏電阻保護(hù)輸出端。其他型號(hào)的通用變頻器功率模塊的引腳和在電路板上的標(biāo)注雖然各有不同，但不難辨認(rèn)主要功能腳位置。高端產(chǎn)品采用智能型功率模塊，內(nèi)部包含驅(qū)動(dòng)電路和制動(dòng)電路，引腳相應(yīng)多一些。

　　功率模塊在路檢測（脫離電網(wǎng)）時(shí)，用指針萬用表R×l擋分別正反測量整流橋的六個(gè)二極管和輸出橋的六個(gè)IGBT管的集電極與發(fā)射極可判斷其是否擊穿，表l和表2是正常測量結(jié)果，否則內(nèi)部有擊穿元件。用指針萬用表Bx1k擋分別測量六個(gè)IGBT管的柵極與發(fā)射極間的電阻（驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端）應(yīng)一樣，有不同時(shí)則是驅(qū)動(dòng)電路或IGBT管損壞。以上測量只能測出IGBT管擊穿性損壞。測不出開路性損壞。把功率模塊從電路板上拆下后可對(duì)每個(gè)IGBT管進(jìn)行進(jìn)一步測量，方法如圖1所示，表針在左邊表示不導(dǎo)通。表針在右邊表示導(dǎo)通。如不能使之導(dǎo)通和截止，則是該管損壞。

　　TLP251是變頻器常用的光耦驅(qū)動(dòng)電路，當(dāng)功率模塊擊穿時(shí)常殃及該電路。其內(nèi)部電路和測量方法如圖2所示。當(dāng)②腳經(jīng)3kΩ電阻與10V電源斷開或接通時(shí)。⑥腳有0V或9V的高低電壓變化。

　　例一：一臺(tái)5.5KW

　　故障現(xiàn)象：靜態(tài)測量逆變模塊正常，整流模塊損壞。

　　故障分析：整流器損壞通常是由于直流負(fù)載過載，短路和元件老化引起。測量PN之間的反向電阻值，（紅表筆接P，黑表筆接N），可以反映直流負(fù)載是否有過載短路現(xiàn)象。測出PN間電阻值150R，正常值應(yīng)大于幾十KR，說明直流負(fù)載有過載現(xiàn)象。逆變模塊是正常的可以排除，檢查濾波大電容，均壓電阻正常，測制動(dòng)開關(guān)元件損壞短路，拆下制動(dòng)開關(guān)元件測PN間電阻值正常。

　　故障原因：制動(dòng)開關(guān)元器件的損壞可能是由于變頻減速時(shí)間設(shè)定過短，制動(dòng)過程中產(chǎn)生較大的制動(dòng)電流而損壞。整流模塊長期處于過載狀況下工作而損壞。

　　故障處理：更換制動(dòng)開關(guān)元器件和整流模塊。

　　例二：一臺(tái)11KW

　　故障現(xiàn)象：靜態(tài)測量逆變模塊正常，整流模塊損壞。

　　故障分析：測量PN之間的反向電阻值正常。初步認(rèn)定直流負(fù)載無過載、短路現(xiàn)象。在拆卸變頻器時(shí)，發(fā)現(xiàn)主電路有過打火的痕跡，繼而發(fā)現(xiàn)短接限流電阻的繼電器觸點(diǎn)打火后燒壞連接在一起，這可能就是整流器損壞的原因所在。

　　故障原因：變頻器通電瞬間，充電電流經(jīng)限流電阻限值后對(duì)濾波電容充電，當(dāng)PN間電壓升到接近額定值時(shí)，繼電器動(dòng)作，短接限流電阻（俗稱軟啟電阻）。因繼電器是常開觸點(diǎn)，由于損壞而觸點(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。

　　例三：一臺(tái)22KW

　　故障現(xiàn)象：逆變模塊正常，整流模塊損壞，運(yùn)行中報(bào)欠壓故障。

　　故障分析：打開機(jī)器在主電路發(fā)現(xiàn)異常，整流模塊的三相輸入端的V 相有打火的痕跡；后來通電變頻器在輕負(fù)載運(yùn)行下正常，當(dāng)負(fù)載加到滿載時(shí)運(yùn)行一會(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動(dòng)和停止，加之電網(wǎng)電壓的不穩(wěn)定或電壓過高造成整流模塊軟擊穿（就是處于半導(dǎo)通狀態(tài)，沒有完全壞，低電流下還可運(yùn)行）。

　　故障處理：更換整流模塊

　　例四：一臺(tái)2.2KW

　　故障現(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)器主板先測驗(yàn)驅(qū)動(dòng)電路，在驅(qū)動(dòng)電路上未發(fā)現(xiàn)異常。給直流信號(hào)，檢測驅(qū)支信號(hào)，發(fā)現(xiàn)有一路驅(qū)動(dòng)輸出無負(fù)壓值。測量波形幅真明顯大于其它五路波形。檢測負(fù)壓上的濾波電容正常，檢測穩(wěn)壓二極管Z2損壞。

　　故障原因：IGBT因驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓過高而損壞。

　　故障處理：更換穩(wěn)壓二極管。

　　例五：一臺(tái)7.5KW

　　故障現(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，變頻器內(nèi)部堆積了厚厚的灰塵，還有一些油污，變頻器輸出端不有明顯的打火過的痕跡。清洗后檢查沒有什么異常。可以認(rèn)定是變頻器輸入端打火產(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)打火拉?。?。

　　故障原因：變頻器是電子產(chǎn)品需要維護(hù)保養(yǎng)和定期檢查維修，這對(duì)減少變頻器故障和延長變頻壽命是非常重要的。國內(nèi)很多用戶對(duì)這一點(diǎn)還做得不夠，直到變頻器出現(xiàn)故障到維修還是沒有這個(gè)觀念。

　　故障處理：清洗變頻器內(nèi)的灰塵，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)驗(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業(yè)的主導(dǎo)器件。以IGBT功率器件為基礎(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)和民用的各個(gè)角落。特別是隨著新世紀(jì)的到來，人們節(jié)能環(huán)保意識(shí)普遍加強(qiáng)，加之世界能源的日漸貧乏，電力電子器件與設(shè)備的應(yīng)用越來越得到人們的重視。

　　由于功率器件在開關(guān)運(yùn)行過程中，不可避免地產(chǎn)生大量的熱量，需要借助外部散熱系統(tǒng)來將之帶走。散熱不完全或不及時(shí)的直接后果是導(dǎo)致器件的溫度過高，芯片的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的變化而失效，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致短路或其它爆炸事件。所以通過仿真計(jì)算與試驗(yàn)，確保器件在任何運(yùn)行狀態(tài)下都不超過給定的溫度，是電力電子設(shè)備熱路設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。

　　另外，運(yùn)行在交變工況下的功率器件，其芯片的溫升隨負(fù)載而上下波動(dòng)。由于器件內(nèi)部相互連接（焊接、鍵接、壓接等）的各部分受熱后的膨脹程度不一致，于是在連接處產(chǎn)生應(yīng)力，時(shí)間久了連接會(huì)發(fā)生疲勞直至器件失效。試驗(yàn)結(jié)果表明，器件的壽命主要與芯片溫度變化的幅度以及芯片的平均絕對(duì)溫度有關(guān)。圖1顯示了著名的LESIT研究結(jié)果 [1]。

　　所以，功率器件熱路計(jì)算的另一個(gè)任務(wù)是推算特定負(fù)載條件下器件的溫度變化曲線，進(jìn)而設(shè)計(jì)與預(yù)測器件的可靠性與壽命。

　　最后，通過對(duì)器件損耗的計(jì)算，對(duì)系統(tǒng)的散熱進(jìn)行評(píng)估或優(yōu)化，是安全、經(jīng)濟(jì)地設(shè)計(jì)電力電子設(shè)備的一個(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)部所產(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似，取該直線（b）與橫軸的交點(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)電流的平均值；

　　Irms則為其有效值；

　　FI為電流波形系數(shù)。

　　功率器件在不同的應(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發(fā)根據(jù)其通態(tài)特性來計(jì)算出其通態(tài)損耗。

　　同理可計(jì)算器件的正向或反向截止損耗。但一般來說這部分損耗可忽略不計(jì)。

　　器件的開通或關(guān)斷損耗則可表達(dá)為：

　　其中：

　　為開關(guān)頻率；

　　為器件開關(guān)一次的開通或關(guān)斷損耗。在驅(qū)動(dòng)參數(shù)一定的情況下， 的值與直流母線電壓 、開通或關(guān)斷瞬間的負(fù)載電流 及芯片結(jié)溫 有關(guān)。

　　正弦調(diào)制PWM逆變器的功耗與溫升計(jì)算

　　1992年，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]。隨后，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]。該方法采用圖2所示的線性近似來計(jì)算一個(gè)正弦周期內(nèi)器件的平均損耗，進(jìn)而得到芯片的平均結(jié)溫：

　　通態(tài)損耗：

　　M為調(diào)制比， 為負(fù)載功率因數(shù)；

　　為IGBT在集電極電流為零時(shí)的開啟電壓， 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)的開啟電壓， 為二極管的通態(tài)電阻（輸出特性的斜率）； 為開關(guān)頻率， 為輸出電流峰值。

　　大量的實(shí)驗(yàn)證明，在逆變器輸出頻率為50Hz時(shí)，這一計(jì)算方法的結(jié)果是相當(dāng)準(zhǔn)確的。盡管器件的實(shí)際功耗與輸出頻率同步波動(dòng)，但由于芯片傳熱時(shí)間常數(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]）。此時(shí)，使用平均結(jié)溫來代替最高結(jié)溫在工程上是允許的。

　　逆變器低頻輸出時(shí)功耗與溫升的推算

　　當(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)間變長。當(dāng)輸出電流在峰值附近時(shí)，最大電流對(duì)芯片的作用時(shí)間也相應(yīng)延長。而芯片的傳熱時(shí)間常數(shù)不變，芯片的結(jié)溫隨之迅速上升。頻率越低時(shí)，這一上升就越明顯，在輸出頻率為1-2Hz時(shí)，最大結(jié)溫甚至?xí)叱銎骄Y(jié)溫20K以上。在輸出頻率接近0Hz時(shí)，芯片所承受的電流近似為 倍于額定電流的直流，此時(shí)結(jié)溫達(dá)到最大值（圖3）。

　　圖3：不同基波輸出頻率下的最大結(jié)溫與平均結(jié)溫的關(guān)系 [6]

　　在[4]中，對(duì)以上這一現(xiàn)象的研究導(dǎo)致了所謂頻率校正系數(shù)的引入。頻率校正系數(shù)

　　在計(jì)算低頻運(yùn)行的結(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)，便可得出最大結(jié)溫。

　　當(dāng)散熱條件改變時(shí)，特別是當(dāng)散熱器有所不同時(shí)，頻率校正系數(shù)的曲線略有變化，采用頻率校正系數(shù)來推算最大結(jié)溫的方法產(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)算

　　為了在低輸出頻率時(shí)更準(zhǔn)確地計(jì)算最大結(jié)溫，可以先計(jì)算功率器件的瞬時(shí)功率損耗。然后根據(jù)器件與散熱器的動(dòng)態(tài)傳熱模型計(jì)算出芯片的瞬態(tài)結(jié)溫。在計(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化。所以，計(jì)算過程是一個(gè)用迭代法來逐步逼進(jìn)的過程。

　　另外在計(jì)算中，需要建立器件與散熱器的動(dòng)態(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元件來等效。一般來說，在電力電子散熱系統(tǒng)中，使用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－底板、底板－散熱器、散熱器－空氣等。

　　該等效模型中RC元件的參數(shù)可以通過實(shí)測器件或散熱器的發(fā)熱或冷卻曲線來獲得。為了給用戶提供方便，賽米控在其技術(shù)手冊(cè)中提供了所有器件的動(dòng)態(tài)熱參數(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時(shí)的溫升可由下式計(jì)算：

　　其中：

　　為第Q個(gè)脈沖結(jié)束時(shí)的溫升，Q為一個(gè)脈沖序列所含脈沖的個(gè)數(shù)；

　　P為每個(gè)脈沖的功率損耗；其計(jì)算公式如本文第二節(jié)所敘，其中VCE0、rCE等器件參數(shù)又為溫度T的函數(shù)。

　　、 為RC元件的參數(shù)。

　　在賽米控率先推出的SEMISEL仿真程序中，便采取了以上計(jì)算原理 [8]。程序中迭代算法的公式及流程如下：

　　計(jì)算結(jié)果

　　采用以上方法計(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圖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)間而周期性變化。

　　以上計(jì)算的結(jié)果可以用來檢查芯片的最大結(jié)溫以確保其在正常的范圍內(nèi)工作。在SEMISEL仿真程序中，程序直接根據(jù)計(jì)算出的溫度判定所選模塊是否恰當(dāng)，并同時(shí)給出了器件的各類損耗，便于用來作進(jìn)一步的分析和系統(tǒng)優(yōu)化。

　　例如，利用SEMISEL，可以對(duì)現(xiàn)有散熱系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估或采用虛擬散熱器來設(shè)計(jì)散熱系統(tǒng)。

　　另外，在交變負(fù)載情況下，如機(jī)車牽引、電梯、卷揚(yáng)機(jī)等，可以通過仿真器件溫度的波動(dòng)來預(yù)估器件的工作壽命。在這方面，一個(gè)典型的應(yīng)用例子是風(fēng)力發(fā)電。由于風(fēng)力的極其不確定性，對(duì)壽命的預(yù)測是建立在大量的長時(shí)間測量基礎(chǔ)上的。應(yīng)用上述方法，賽米控成功地處理了單次采樣為15000組的數(shù)據(jù)，為客戶選型提供了可靠性參數(shù)。

　　還有，在給定最大運(yùn)行結(jié)溫的情況下，可以計(jì)算出器件的最大輸出電流與開關(guān)頻率及輸出頻率的關(guān)系。這樣就可以比較不同種類器件的電流輸出能力。圖7例示了不同開關(guān)頻率下某器件的最大輸出電流的仿真計(jì)算曲線。

　　圖7：不同開關(guān)頻率下的最大輸出電流仿真計(jì)算曲線

　　在仿真的基礎(chǔ)上，功率器件的選型（如不同種類器件之間的比較）、參數(shù)的優(yōu)化（如通過計(jì)算得到的開關(guān)頻率曲線、輸出頻率曲線、效率曲線等）、散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（熱阻的確定，熱路的優(yōu)化）變得非常簡單明了。仿真――按優(yōu)化方案設(shè)計(jì)樣機(jī)－－試驗(yàn)驗(yàn)證成為現(xiàn)代電力電子設(shè)計(jì)的必由之路。