變頻電源電氣故障分析方法

莊培，邵麗國

（格力電器股份有限公司，廣東 珠海 519000）

變頻電源設備在空調產品生產過程中，常用于出口機型的測試，提供與產品相匹配的電壓和頻率，如115V，60Hz；230V，60Hz等，有時也會用于內銷產品低壓測試提供190V，50Hz供電電源；使用過程常見設備故障主要有廠區電壓波動沖擊導致IGBT模塊及驅動燒毀，帶負載啟停導致的單相驅動燒毀，電壓異常波動，啟動時無法復位或缺相報警等問題。以變頻電源（WE—31150）1次無功率輸出，重啟復位無效故障的分析過程為例，總結變頻電源常見電氣控制故障的分析方法。

1 故障現象描述及故障排除過程

某生產線商檢測示范變頻電源（測試電源）故障，無電功率輸出，反復重啟復位無效；技術人員對輸出電路進行拆除檢測，無短路異常，對輸入電流、電壓進行檢測未發現波動或超壓異常；進一步檢測變頻電源按鈕、接線等未發現松動、燒毀等異常；最后拆下變頻電源逆變器模塊、驅動板及保險等易損壞部件進行檢測，未發現通常情況下的IGBT模塊燒壞、炸裂等故障，初步判斷可能為設備軟故障，需要進一步對控制電路進行深入檢測和排查。

將模塊及驅動板進行必要的清潔除塵后重新安裝回，上電檢測變頻電源控制主板、各模塊的驅動板及接線端子通斷情況，最終發現1塊IGBT驅動板無控制信號，更換上新的驅動板，重新復位設備上電正常；為探糾故障的失效機理，對失效驅動板進行深入檢測和分析如圖1、圖2所示。

圖1 故障驅動板

圖2 故障涉及IGBT模塊

2 故障失效機理分析

2.1 驅動板元器件性能檢測

鑒于驅動板結構相對簡單，考慮對驅動板的關鍵電子元器件進行清查、檢測，確認是否存在損壞失效。關鍵元器件檢測結果見表1。

通過測試，除了EXB841元件封裝無法直接測量以外，其他各元件均無失效現象。

表1

實驗對比測試EXB841元件性能：將新板與故障板作對比分析，接入電壓22V，模擬控制電流10mA，新舊板均輸出電壓為8～9V,滿足設計要求。

2.2 驅動板工作原理解析

判斷故障深層原因為驅動板某控制信號未與IGBT通訊成功，信號可能有輸出控制信號、保護反饋信號。通過將舊板安裝回變頻電源，分別控制變量切斷其中一路信號，結果2種信號線切斷表現故障現象與無輸出、無法復位故障現象一致。為了進一步探究信號控制原理，解釋失效機理，對驅動主板電路進行繪制解析如圖3。

圖3 主電路板電路

EXB841封裝元件的完整電路控制邏輯圖如圖4。

圖4 EXB841封裝元件電路

再對驅動板與IGBT模塊連接進行分析，得到變頻電源功能實現的關鍵控制原理圖，如圖5。

圖5 控制原理

2.2.1 電路分析

（1）正常開通過程。當控制電路使EXB841的輸入端腳14和15有10mA電流流過時，光耦IS01導通，A點電位迅速下降至0V，使V1和V2截止，V2截止使D電位上升至20V，V4導通、V5截止，EXB841通過V4及柵極電阻RG向IGBT提供電流迅速導通，UCE下降3V，與此同時，EXB841的腳6電位被鉗制在8V左右，從而使內部電路B點和C點電位被鉗制在8V。由于穩壓管VZ1的穩壓值為13V，故IGBT正常開通時VZ1，不會被擊穿，V3不通，E點電位約為20V，二極管V6截止，不影響V4、V5正常工作。

（2）正常斷開過程。若控制電路使EXB841輸入端腳14和15無電流流過，光耦IS01不導通，則A電位上升使V1、V2導通，V4截止，V5導通，IGBT柵射極承受5V的反向電壓，使IGBT可靠關斷。此時UCE升使VD7截止，EXB841的腳6“懸空”。由于C2通過V1放電，B點和C點電位被鉗制在0V，VZ1仍不導通，后續電路不會動作，IGBT正常關斷。

（3）保護動作。若IGBT正常導通時發生短路，IGBT承受大電流而退飽和，UCE上升很多，二極管V7截止，則EXB841的腳6“懸空”，B點和C點電位開始由8V上升：當上升至13V時VZ1被擊穿，V3導通，C4通過R7和V3放電，E點電位逐步降低，二極管V6導通使D點電位也逐漸下降，從而使腳3電位也逐步下降，慢慢關斷IGBT。

分析：若1和3腳信號問題，無法驅動IGBT執行逆變，設備外在表現無電參數輸出，并設備反饋報警無電流輸出；若6腳信號問題，腳6“懸空”，相當于正常保護過程，設備誤以為外電路IGBT故障，設備外在表現無電參數輸出并且報警過載。所以根據故障報警，判斷為IGBT模塊與驅動主板間信號傳送異常。

2.2.2 端口分析

通過上述分析，元件損壞可初步排除，考慮到設備使用年限近10年，元件間連接可能存在接觸不良、電路板表面可能出現氧化粘連等異常導致的通訊問題。使用50倍放大鏡對電路板表面線路及通訊端接口進行檢查，最終發現氧化膜覆蓋了信號接線端口表面，表面氧化、積塵，導致接觸不良。如圖6、7。

圖6 接口端針50倍放大 圖7 信號接線端口

2.2.3 分析驗證

通過上述全面分析和檢測，初步判定變頻電源IGBT模塊未被擊穿，驅動板未燒壞，IGBT模塊與驅動板間信號線接口端表面氧化導致接觸不良，信號傳送異常，導致IGBT不工作，設備報警無法復位。

檢查清理涉及的接插口氧化膜，重新安裝測試，變頻電源重啟正常，驗證了分析結果。

3 總結及建議

本案例中出現問題的通訊接口端針氧化斷路問題，經過對變頻電源使用環境進一步分析，發現該變頻電源與其它電氣控制箱混放在狹小室內，生產過程長年持續散熱導致環境高溫，加速金屬表面的氧化，同時由于變頻電源內部積塵嚴重，導致端子和引腳等部位吸附灰塵，在停機時容易吸附水氣加速金屬腐蝕，最終形成了接觸面的氧化膜形成，造成通訊斷路；故障分析確定后，立即對設備進行了清理，并加裝了散熱空調在室內，改善設備工作環境。

對于變頻電源的日常使用和保養管理，有以下建議。

（1）設備需保持良好的散熱，長時間連續使用最好在空調環境中。

（2）變頻電源避免電源長時間滿載運行，以減少設備加速老化。

（3）電源長時間使用吸附粉塵，腐蝕元器件，有些粉塵帶有導電性，會對元器件造成短路，損壞電源，應定期至少半年除塵一次。

（4）電源內部器件清理時盡量不要觸及元器件；可使用小毛刷配合吸塵器，以避免出現清理造成元件損壞、松脫等問題。

（5）電源長時間運行由于震動可能會造成螺絲松動，定期進行螺絲緊固。

（6）電源長時間停用后，尤其是沒有做防潮防護的，開機前應打開機箱檢查是否有潮濕凝露問題，有條件的可以先打開空調進行1h左右的除濕，以確保設備控制系統干燥正常。