逆變器功率元件擊穿的分析和研究

張 帥，王 潔，任鵬帥，任 超，楊曉惠

（河鋼集團邯鋼公司中板廠，邯鄲 056015）

1 概述

中厚板軋機線軋機前后的機架輥傳動系統，由于沖擊和負荷都比較大，且電機工作環境潮濕，經常由于電機過載造成跳閘事故。逆變裝置工作在頻繁過載的工況下，長期過負荷運行造成IGBT軟擊穿，電機運行不穩定，最終形成設備事故。針對這一情況我們進行了大量的數據分析，找出問題的根源，最終解決了這一問題。

2 原因分析

逆變電路的應用非常廣泛。在已有的各種電源中，蓄電池、干電池、太陽能電池等都是直流電源，當需要這些電源向交流負載供電時，就需要逆變電路交流電機調速用變頻器、不間斷電源、感應加熱電源等電力電子裝置使用非常廣泛，其電路的核心部分都是逆變電路[1]。

逆變器空載時運行正常，但一旦帶負荷運行就會造成電機抖動，損傷機械軸，再加上機械沖擊比較大，時間一長就會造成機械軸斷裂形成事故。這種情況下分析事故的原因，測量各功率元件是比較困難的工作，需要分析逆變器的輸出波形與正常裝置的輸出波形進行比對，這種情況給我廠的正常生產造成了很大的麻煩，也給我們的事故分析帶來了很大麻煩和不便。

首先針對此次事故之前出現的情況進行分析：機械斷軸事故前一周，機前機架輥電機停轉，現場檢查變頻器處發現故障為F015（電機堵轉），通常此故障是因為設定輸出與實際輸出反饋不一致造成，通常可復位恢復，于是按“P”鍵欲恢復此故障；恢復后變頻器不再報F015而是開始報F029（測量值傳感系統中已發生故障），此故障引起的原因有很多，可能損壞的原因有CUVC板損壞、IGBT損壞、脈沖控制板損壞，因之前壓下裝置變頻器報同樣的故障是通過更換脈沖控制板處理此故障的，于是立即進行更換脈沖控制板；更換完脈沖控制板后送變頻器24V電源，發現變頻器不報F029，而是報F011（過流故障），此故障引起原因有變頻器輸出電流過大、變頻器輸出側接地，但是此時變頻器并未運行，通過測量輸出側線路和電機均未發現問題，于是斷定此故障為虛假信號；可能為CUVC板損壞，于是立即更換CUVC板，但換完后仍無法恢復故障；在測量主回路線路時發現變頻器輸出端三相阻值在23～30kΩ之間，而相同規格軋機輸出側機架輥變頻器的相間阻值為220～330kΩ之間，于是判斷變頻器有IGBT損壞，將逆變器12個IGBT拆下。測量其是否存在故障。

絕緣柵雙極晶體管IGBT（Insulated-Gate Bipolar Transistor）是三端器件，具有柵極G、集電極C和發射極E。圖1為逆變單元兩個IGBT并聯的示意圖，下面介紹一下用萬用表如何測量功率元件IGBT。

首先，用指針萬用表的Rx1k擋來檢測，或用數字萬用表“電壓”擋來測量PN結正向壓降進行判斷。檢測前先將IGBT管三只引腳短路放電，避免影響檢測的準確度；然后用指針萬用表的兩支表筆正反測G、e兩極及G、c兩極的電阻，對于正常的IGBT管，上述所測值均為無窮大；最后用指針萬用表的紅筆接c極，黑筆接e極，若所測值在3.5kΩ左右，則所測管為含阻尼二極管的IGBT管，若所測值在50kΩ左右，則所測IGBT管內不含阻尼二極管。對于數字萬用表，正常情況下，IGBT管的e、c極間正向壓降約為0.5V。經測量拆下的12個IGBT中有4個測量數據值有問題，將這4個IGBT更換后試車正常，但是裝置電流比另一同類型裝置大，隨后出現機械軸斷裂事故。于是利用相關軟件對前后裝置的電流波形下載進行比較，發現這臺裝置的輸出電流存在斷續現象，局部放大后如圖2：

圖1

圖2

圖3

圖2所示為電流波形局部放大后的曲線，圖中所標示的圓內為曲線不正常部分，從圖中看出電流曲線的波頭不夠平齊，說明功率元件IGBT存在沒有導通的現象。由圖中觀察波形又不是每個波頭都不正常，而是無規律的出現。此現象也正好印證了電機抖動的現象。據此判斷此次機械軸斷裂可能是由于逆變器裝置的功率元件IGBT有軟擊穿的現象（軟擊穿就是測量時正常，帶負荷時出現不能關斷或不能觸發的情況）。

更換IGBT功率元器件后，利用相關軟件檢測到正常的電流波形，波形局部放大后如圖3：

由于此軟件顯示電流時自動調整，所以更換后圖形看不清波頭的多少，不像事故時能夠顯示出明顯的缺損或誤導通，只能看清更換后的電流波形為正常的呈連續的正弦波，因此更換后的效果還是比較明顯的。

3 結束語

經過此次事故的研究和分析得出結論，在逆變器報出功率單元故障后要仔細分析電流波形進行確認IGBT有損壞的情況下應拆下測量，發現數據顯示不好的IGBT要予以更換，避免出現二次事故。