变频空调的功率模块基础知识

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变频空调中，变频压缩机的运转频率高低，完全取决于功率模块所输出的工作电压高低。功率模块输出的电压越高，压缩机运转频率及输出功率也就越大;反之亦然。变频技术并不是直接改变工频50Hz的交流电源，而是先将交流电整流、滤波成直流电，再通过半导体功率器件，将直流电逆变成可调控的交变电源(或直流电)，供给压缩机电动机。由于功率模块直接驱动压缩机的运转，其工作电压高，输出电流大，所以属于变频空调中的一个易损部件。
        根据所采用的压缩机不同，将变频空调分成交流变频和直流变频空调，两者的功率模块和压缩机有很大区别，下面分别进行简述。
1.交流变频空调的功率模块与压缩机

                由于交流变频空调采用的是交流异步电动机，其转速与旋转磁场同步转速存在一个转差，同步转速变化时，转差也有变化，这对精确控制压缩机的转速是不利的。然而异步电动机结构简单、造价低廉，在目前市场上被大量采用。交流变频空调功率模块的基本框图见图1，它主要由整流器、滤波电路、功率逆变器等部件组成，在微处理控制电路的驱动下，完成“交流->直流->交流”的转换过程，驱动压缩机运转。
       
                整流器是用来将交流电转换成直流电的部件，普遍采用的是硅整流器件(整流二极管)进行桥式连接(在单相整流器中，采用的是四支整流二极管，而当空调采用的是三相供电输入时，整流器采用的是六支整流二极管).由于整流出来的直流电还很不平滑，所以需要滤波电路(滤波电容)来进行滤波，滤波后得到300V左右平滑的直流电，供逆变器工作。
                功率模块又称功率逆变器，是用来将直流电转换成频率与电压可调节的三相交流电的核心部件。变频空调常采用六只IGBT构成上下桥式驱动电路，在交流-直流交流逆变过程中，控制电路控制每只IGBT导通180°，且同一桥臂上两只IGBT中的一只导通时，另一只必须关闭。相邻两相的元件导通相位差为1200 ，在任意360内都有三只IGBT导通，以接通三相负载。
      当控制信号输出时，A+、A-、B+、B-、C+、C-各IGBT管分别导通，从而输出频率变化的三相交流电使压缩机运转。在实际应用中，多采用IPM( Inteligent Power Module，智能功率模块)加上周围的电路(如开关电源电路)组成。IPM是一种智能功率模块，是以IGBT为内核的先进混合集成功率部件，由高速低功耗管芯(IGBT)和优化的门极驱动电路，以及快速保护电路构成。IPM内的IGBT管芯都选用高速型的，而且驱动电路紧靠IGBT，驱动延时小，所以IPM开关速度快，损耗小。PM内部集成了能连续检测IGBT电流和温度的实时检测电路，当发生严重过载甚至直接短路时，以及温度过热时，IGBT将被有控制地软关断，同时发出故障信号。此外IPM还具有桥臂对管互锁、驱动电源欠压保护等功能。尽管IPM价格高一些，但由于集成的驱动保护功能使IPM与单纯的IGBT相比具有结构紧凑、可靠性高易于使用等优点。
2.直流变频空调的基本原理
       习惯上认为采用无刷直流压缩机的空调就是直流变频空调。由于有刷直流电动机的电刷与换向器以接触方式连接，在运行中有磨损，使得工作不稳定;同时还会产生火花，但由于压缩机汽缸内注满了制冷剂蒸汽，因此不能采用会产生火花的直流有刷电动机，而采用直流无刷电动机。所谓无刷直流电动机就是:把普通直流电动机永久磁铁组成的定子变成转子(转子采用稀土材料制成的永久磁体)，把普通直流电动机需要换向器和电刷提供电源的绕组转子变成定子(定子与交流电动机相同，采用漆包线整距集中绕制而成)。这样就可以省掉普通直流电动机必需的电刷，所以把这种电动机称为无刷直流电动机。它的调速性能与普通的直流电动机相似;它既克服了普通直流电动机的一些缺点， 如电磁干扰大、噪声大、有火花、可靠性差寿命短等，又具有交流电动机所不具备的一些优点，如运行效率高、调速性能好、无涡流损耗等。所以直流变频空调相对于交流变频空调而言，具有更大的节能优势，近年来被广泛采用。
        直流变频空调的功率模块控制电路与交流变频空调基本一样，只是其转换过程为“交流一直流一直流”，其原理框图见图2。
       
        交流变频空调的变频模块按照SPWM调制方式，就是将市电220V交流电转换成310V左右的直流电并送到功率模块(IGBT开关组合)。同时功率模块受微电脑送来的控制信号控制，输出频率可变的电压(合成波形近似正弦波)，使压缩机电动机的转速随频率的变化而变化，从而控制压缩机的运转，快速地调节制冷和制热量。
         直流变频空调同样是将市电220V转换成310V左右的直流电送到功率模块。变频模块每次导通两个IGBT (A+、A-不能同时导通，B+ B-不能同时导通，C+、C-也不能同时导通)，给两相绕组通直流电，驱动转子运转。同时模块受微电脑的控制，输出电压可变的直流电(这里没有逆变过程)。直流变频相比交流变频多一个位置检测电路，使得直流变频的控制更加精确。
        直流有刷电动机中，当转子(单相)磁场转到与定子(永久磁体)磁场平行后，如果转子再越过此位置，而直流电源不改变流向，即绕组中的电流方向不改变的话，那么根据右手定则，此时线圈受力使之向反方向旋转。因此需要电刷来改变绕组中电流的流向，使转子能继续旋转下去。而无刷直流电动机由于不能在电机绕组上改变电流方向，所以只能通过控制切换外部供电来实现换相，为了能保证准确换相，就需要一个转子位置检测电路来进行控制。
       直流无刷电动机位置检测通常有两种方式:一是利用电动机内部的位置传感器(通常为霍尔元件)提供的信号，这种检测方式在直流风扇电动机上比较常见;另-种是检测直流无刷电动机的相电压，利用相电压的采样信号进行运算后得到。由于在直流无刷电动机中随时都有两相绕组通电，另一相不通电，但磁铁在线圈中转动，线圈里就能产生电压，所以不通电的这组线圈就有感应电压，由于该电压的相位与磁铁的位置有一定关系，因此根据感应电压就可以判断出转子的位置，进而控制绕组通电顺序。以不通电的一-相作为转子位置检测信号用于捕获感应电压，通过专门设计的电路，反过来控制给定子绕组的方波电压。由于这一种方法省掉了位置传感器，使得电动机构造更为简单可靠，所以压缩机电动机一般都采用这种检测方式。
         感应电压只有在电动机转动时才产生，因此不能通过转子位置来检测电动机的启动，必须强制性地输出驱动波形，直到电动机转速达到一定速度，可以靠感应电压测出转子位置为止，再切换到转子位置检测输出波形驱动的方式。
         当功率模块出现过热或过负荷时，如果室外机控制电路对模块不进行保护，而让模块继续工作，会导致功率模块烧毁。由于功率模块的成本较高，为了保护功率模块不至于被轻易损坏，在室外机控制电路.上都设置有IPM保护电路。
3.功率模块的检测
        在检修功率模块前，首先应该确定电源是否正常。也就是功率模块上是否有260V~310V左右的直流电，接插件上。如果功率模块输入端没有300V左右的直流电，说明该机的整流、滤波电路有问题。如果有直流300V左右的电压输入，U、V、W三相间没有低于220V的均等电压输出(交流变频空调输出的是交流电，而直流变频空调输出的是直流电)，则基本上可以判断功率模块有故障。但有时也会因电脑板输出的控制信号有故障，导致功率模块无输出电压，维修时应注意仔细判断。变频空调的功率模块属于易损件，掌握功率模块的检测方法，在检修工作中尤其重要。一般功率模块的好坏可以用万用表进行检测。
       (1)用万用表电阻挡进行测量(在模块脱离电路和压缩机的情况下):万用表的红表笔对P端，黑表笔分别对U、V、W端，其正向阻值应相同。如其中任何一相阻值与其他两相阻值不同，则可判定该功率模块损坏;用黑表笔对N端红表笔分别对U、V、W三端，其每相阻值也应相等，如不相等，也可判断功率模块损坏。如果采用的是数字万用表，其表笔接法与指针万用表正好相反，其红色表笔对N端，黑色表笔对u、V、W，其阻值应同。黑色色表笔对P端，红色表笔对U、V、W，其阻值应相同。
       (2)用万用表电压挡进行测量:测量功率模块驱动电动机的电压，其任意两相间的电压应在0~180V之间，且相等，否则说明功率模块损坏。如果驱动的触发电压不正常或者消失，可以肯定功率模块已经烧毁。
        更换功率模块前一定要把其损坏原因找到，因为模块自然损坏的几率很小。导致功率模块损坏的常见原因主要有:浪涌电压或电流、负载过重，控制电路故障以及保护电路失效等。
         首先检测滤波电容的容量，如果电容容量不足，机器带负载时很容易烧毁模块。然后检查扼流线圈和桥堆等部件是否正常。压缩机有问题是功率模块负载过重的主要原因，由于压缩机线圈阻值很小，利用万用表很难准确判断其是否正常。这时可用三个同样功率的灯泡按照y型接法连接，用来代替压缩机进行试验，进一步分析故障在压缩机还是在功率模块。再把驱动电路检查好，因为当模块损坏后，特别是大功率IGBT管击穿，很容易殃及相应的驱动电路。把模块已坏的那一路的驱动电路彻底检修好，最好先不接模块，单独给驱动电路板通电。驱动电路维修好的标准是六路触发电压两两相同。最后检测保护电路是否失效，如果保护电路失效，更换的新模块很容易再次损坏。
         功率模块的接线插口:任何功率模块都具有以下几个基本连接插口，即P、N、U、V、W、10芯连接排、11芯连接排(模块驱动电源输入插口，若模块内部包含了开关电源就没有这个插口)。在拆卸模块前，一定要做好记号，以便再次连接时可以一一对应，不至于出现插接错误。不同的模块各个连接插口位置会有很大的差异，切不可只记连线位置。其中:"P" 用来连接直流电正极，也可能标识为“+”;"N"用来连接直流电负极，也可能标识为“-”;"U、V、W"为压缩机线，多数按照“UVW黑白红”的顺序进行连接，但也有很多例外，在拆卸时一定要留意;"10芯连接排"是模块的控制信号线，在插接前应核对各线功能是否一致;“11 芯连接排”是模块驱动电源，对于开关电源与功率模块集成在-起的机型而言，就没有该插接口，但往往会有+12V和+5V的输出端。警告:"P、N、U、V、W"任意两条线如果连错，只要一次开机上电，就可能造成无法预料的模块损坏。
        注:在变频空调中，由于滤波电容容量很大(一般在1500~3000uF之间)，由于大容量电容成本较高，体积较大，所以部分机型会采用几个小容量电容进行并联。在检修空调时，由于该滤波电容容量大，放电时间长，加之故障机往往耗电回路已经烧断，放电速度相对更加缓慢。所以在检修前需要对电容进行放电，防止损坏仪表和被电击事故的发生。在放电时，禁止直接用导线短接电容两端，而应该用大功率电阻或灯泡并联在电容两端进行放电。这样做的目的一是为了操作人员的人身安全，防止被电击，同时是为了避免新更换的模块，在安装时被高压打坏。
       在判断功率模块是否正常时，禁止用正常模块代换的方式进行判断，防止因功率模块在出现故障的同时，将驱动电路连带损坏。这时如果盲目代换，很可能将导致正常模块再次损坏。只能在确保驱动电路正常的前提下，再更换功率模块。在更换功率模块时，切不可以将新模块接近磁性物体，特别是不要接触信号端子的插口，否则极易引起模块内部击穿损环。