西門子 6SE70 系列變頻器逆變電路主要由 IGBT、IGD、電 容等組成，其中 IGBT 是整個(gè)逆變電路的核心，IGD 則提供了對(duì) IGBT 的觸發(fā)、監(jiān)控和保護(hù)功能，本文對(duì) 6SE70 系列變頻器逆變 電路核心部分的構(gòu)成及常見損壞原因進(jìn)行簡(jiǎn)單闡述。
1 絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）
1．1 IGBT 常見的故障及診斷
從 IGBT 的構(gòu)成原理可以看出柵極和發(fā)射極之間有較大的 相鄰面積且被一層極薄的二氧化硅絕緣柵隔開， 形成了一個(gè)電 容， 所以正常狀態(tài)下的 IGBT 可 以 在 G－E 之間測(cè)量到電容特 性，并且 IGBT 的容量越大電容值就越高。 在制造工藝上為了提 高 IGBT 的效率，二氧化硅絕緣柵做得非常薄，因此其耐壓值較 低， 西門子逆變器所使用 的 IGBT 的 G－E 之間的耐壓值只有 20V，超過(guò)該電壓將導(dǎo)致絕緣柵被擊穿而損壞 IGBT，此時(shí) CG－ E 的電容特性將消失， 所以通過(guò)測(cè)量 CG－E 電容特性是否存在 可判斷 G 極是否損壞。 同樣，測(cè)量 CG－C 和 CE－C 也可判斷 C 和 E 的情況。
1．2 IGBT 常見的損壞原因
1．2．1 dv ／ dt 造成的柵極擊穿
由于 G－C 和 G－E 之間均存在著電容特性，當(dāng)柵極懸空時(shí)，若 在 C－E 之間忽然加上一個(gè)高電壓， 該電壓將給 CCG 和 CGE 充 電，造成柵極電位超過(guò) 20V 從而擊穿絕緣柵。 因此在使用絕緣表測(cè) 試 IGBT 耐壓時(shí)必須用導(dǎo)體短接 GE。 在安裝 IGD 時(shí)也必須保證柵 極與 IGD 可靠接觸。 在 IGD 上存在一個(gè)短接于 G－E 之間的高阻 值電阻 RGE 以防止充電時(shí)電壓升高帶來(lái)的 dv／ dt 擊穿 IGBT。 同時(shí) 在關(guān)斷 IGBT 時(shí)也能起到快速釋放柵極電荷加速關(guān)斷的作用。
1．2．2 擎住效應(yīng)
IGBT 內(nèi)部存在一個(gè)等效的 PNP 和一個(gè)等效 的 NPN 三 極 管，這兩個(gè)三極管又組成一個(gè)等效的晶閘管。 正常工況下 NPN
三極管不起作用，而當(dāng)電流超出一定范圍，該三極管會(huì)導(dǎo)致 IG- BT 失控，產(chǎn)生擎住效應(yīng)。 當(dāng)擎住效應(yīng)發(fā)生后，門極將完全失去對(duì) IGBT 的關(guān)斷能力，IGBT 會(huì)一直導(dǎo)通直至燒毀。
1．2．3 過(guò)流損壞
IGBT 工作時(shí)需要在柵極加一個(gè)正電壓以吸引 P 溝道的電 子形成一個(gè)臨時(shí)的 N 性半導(dǎo)體區(qū)域，N 性半導(dǎo)體區(qū)域的厚度由 柵極電場(chǎng)強(qiáng)度決定，柵極電場(chǎng)強(qiáng)度越弱，則該區(qū)域越薄，IGBT 的 通態(tài)電阻越大，管壓降和熱耗損也就越大。 在不同觸發(fā)電壓下， IGBT 允許流過(guò)的電流是不同的。 若實(shí)際電流超過(guò) IGBT 的額定 值將可能導(dǎo)致 IGBT 損壞。
當(dāng)流過(guò) IGBT 的電流超過(guò)最大允許電流但小于發(fā)生擎住效 應(yīng)的電流時(shí)， 雖然可以通過(guò)外部電路關(guān)斷 IGBT 以進(jìn)行過(guò)流保 護(hù)，但這樣的保護(hù)對(duì) IGBT 的使用壽命是有影響的，一般的 IGBT 可承受過(guò)流保護(hù)次數(shù)在 1000 次左右，超過(guò)后將會(huì)損壞 IGBT。 1．2．4 散熱不良造成的熱擊穿
當(dāng) IGBT 流 過(guò) 大 電 流 時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的熱量 ， 以 型 號(hào) 為 FZ1200R12KF4 的 IGBT 為例， 其在 25℃下運(yùn)行時(shí)的最大功耗 可達(dá) 7．8kW，雖然散熱器上安裝有溫度傳感器，具有熱保護(hù)的功 能， 但當(dāng) IGBT 與散熱器之間的導(dǎo)熱硅脂過(guò)厚或過(guò)少時(shí) ，IGBT 釋放的熱量無(wú)法正常傳遞到散熱器， 在溫度傳感器尚未探測(cè)到 過(guò)溫前 IGBT 可能已經(jīng)損壞了。
2 IGD
2．1 IGD 的基本構(gòu)造及工作原理
IGD 從構(gòu)造上可以分為三大塊：DC－DC 隔離電源、 關(guān)斷 ／ 觸發(fā)電路和 UCE 監(jiān)控電路。 其中，隔離電源將 PSU 提供的直流 電壓進(jìn)行中頻振蕩后輸入到隔離變壓器的初級(jí)線圈， 通過(guò)二極 管和電容對(duì)隔離變壓器次級(jí)線圈的輸出電壓整流平波后為 IGD 供電。 使用隔離電源進(jìn)一步穩(wěn)定了 IGBT 的觸發(fā)電壓，防止電壓 波動(dòng)損壞 IGBT 的觸發(fā)端； 當(dāng) IGD 損壞時(shí)隔離電源也可以防止 功率部分的高壓串入 PSU 造成更大范圍的破壞。 6SE70 系列變 頻器的隔離電源輸入電壓為 15V，MicroMaster 和 SINAMICS 系列的隔離電源輸入電壓為 24V。
