浅析ACS800变频器IGBT模块的损坏的原因

【摘要】对于ACS800的变频器，我们经常会碰到的故障就是IGBT模块的损坏，受工作电压的突变以及开关电源所带负载的损坏，而导致此集成模块的损坏时有发。笔者在本文中将就ACS800变频器IGBT模块的损坏的原因加以分析与讨论。

【关键词】ACS800变频器；IGBT模块；损坏；原因

一、ACS800变频器IGBT模块功能简介

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），绝缘栅双极型晶体管，是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。

ACS800变频器IGBT模块非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。图1所示为一个N沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构，N+区称为源区，附于其上的电极称为源极。N+区称为漏区。器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极。沟道在紧靠栅区边界形成。在漏、源之间的P型区（包括P+和P一区）（沟道在该区域形成），称为亚沟道区（Subchannel region）。而在漏区另一侧的P+区称为漏注入区（Drain injector），它是IGBT特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成PNP 双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。附于漏注入区上的电极称为漏极。IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP晶体管提供基极电流，使IGBT导通。反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT 关断。IGBT的驱动方法和MOSFET基本相同，只需控制输入极N一沟道MOSFET，所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET的沟道形成后，从P+基极注入到N一层的空穴（少子），对N一层进行电导调制，减小N一层的电阻，使IGBT在高电压时，也具有低的通态电压。

由于ACS800变频器的IGBT模块为MOSFET结构，IGBT模块的栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离。由于此氧化膜很薄，其击穿电压一般达到20～30V。因此因静电而导致栅极击穿是IGBT模块失效的常见原因之一。因此，使用中要注意以下几点：

（1）在使用模块时，尽量不要用手触摸驱动端子部分，当必须要触摸模块端子时，要先将人体或衣服上的静电用大电阻接地进行放电后，再触摸；

（2）在用导电材料连接模块驱动端子时，在配线未接好之前请先不要接上模块；

（3）尽量在底板良好接地的情况下操作。

在应用中有时虽然保证了栅极驱动电压没有超过栅极最大额定电压，但栅极连线的寄生电感和栅极与集电极间的电容耦合，也会产生使氧化层损坏的振荡电压。为此，通常采用双绞线来传送驱动信号，以减少寄生电感。在栅极连线中串联小电阻也可以抑制振荡电压。

此外，在栅极—发射极间开路时，若在集电极与发射极间加上电压，则随着集电极电位的变化，由于集电极有漏电流流过，栅极电位升高，集电极则有电流流过。这时，如果集电极与发射极间存在高电压，则有可能使IGBT发热及至损坏。

在使用IGBT模块的场合，当栅极回路不正常或栅极回路损坏时（栅极处于开路状态），若在主回路上加上电压，则IGBT模块就会损坏，为防止此类故障，应在栅极与发射极之间串接一只10KΩ左右的电阻。

在安装或更换IGBT模块时，应十分重视IGBT模块与散热片的接触面状态和拧紧程度。为了减少接触热阻，最好在散热器与IGBT模块间涂抹导热硅脂。一般散热片底部安装有散热风扇，当散热风扇损坏中散热片散热不良时将导致IGBT模块发热，而发生故障。因此对散热风扇应定期进行检查，一般在散热片上靠近IGBT模块的地方安装有温度感应器，当温度过高时将报警或停止IGBT模块工作。

二、ACS800变频器IGBT模块的损坏的原因

ACS800变频器IGBT模块的损坏的原因很多，ACS800变频器IGBT模块在检测出故障时，在数字操作器上显示该故障内容，并使故障接点输出，切断输出。笔者总结以往发生的损坏故障主要囊括以下几种：

（1）过电流，变频器的输出电流超过了过电流检出值。（约额定电流的200%）。

损坏原因：变频器输出侧发生短路，接地（ 电机烧毁，绝缘劣化，电缆破损而引起的接触，接地等）；负载太大，加速时间太短；使用了特殊电机或最大适用功率以上的电机；变频器输出侧电磁开关已开关动作。

相关对策：调查原因，实施对策后复位。

（2）接地，变频器输出侧的接地电流超过了变频器额定输出电流的50%。

损坏原因：变频器输出侧发生发接地短路（电机烧毁，绝缘劣化，电缆破损而引起的接触，接地等）。

相关对策：调查原因，实施对策后复位。

（3）保险丝熔断，装在主回路的保险丝被熔断了。

损坏原因：由于变频器输出侧的短路，接地造成输出晶体管损坏，确认如下的端子间是否短路，如果是短路，则晶体管已损坏。

相关对策：调查原因实施对策后，交换变频器。

（4）负载短路，变频器的输出或负载已短路。

损坏原因：变频输出侧发生了接地短路（电机烧毁，绝缘劣化，电缆破损而引起的接触，接地等）。

相关对策：调查原因，实施对策后复位。

（5）主回路过电压，主回路直流电压超过电压检出值200V级：约190V级400V级：约380V级。

损坏原因：减速时间太短，从电机再生的能量太大。电源电压太高。

相关对策：延长减速时间或接制动电阻（制动电阻单元）。将电压降到电源规格范围内。

（6）散热片过热，变频器散热片的温度超过了L8-02的设定值或105 ℃。变频器内部冷却风扇停止（18.5kW以上）。

损坏原因：周围温度太高。周围有发热体。变频器的冷却风扇停止运行了。变频器的冷却风扇停止运行了（18.5kW以上）。

相关对策：设置冷却装置。却除发热源。交换冷却风扇。

三、结束语

随着我国工业生产对于电气自动化的要求不断提高，各类变频器的应用成为大势所趋。本文通过论述ACS800变频器IGBT模块损坏的原因问题，旨在于促进交流学习，并作为以后IGBT模块维修的有效理论依据。