西门子MASTER DRIVES 6SE70 变频调速器频烧IGBT故障分析.docx

机电与自动化露天采矿技术2013年第3期·41·

西门子MASTERDRIVES6SE70变频调速器频烧IGBT故障分析

杨进京

(神华准格尔能源有限公司设备维修中心，内蒙古薛家湾010300)

摘要：分别从IGBT和PWM逆变器的基本原理出发，着重阐述了西门子MASTERDRIVES6SE70变频调速器运行中频繁出现烧IGBT故障的基本原因和解决办法。

关键词：IGBT;擎柱效应；PWM逆变器；触发电路

中图分类号：TM921.5文献标识码：B文章编号：1671-9816(2013)03-0041-04

1前言

MASTERDRIVES6SE70变频调速器是西门子公司上世纪90年代初推出的产品，历经十几年的发展，性能齐全，被广泛应用在电动挖掘机，轧钢机等各领域设备上。该装置采用电压源型交一直一交的主回路结构，PWM矢量控制变频调速。它的整流再生部分通常采用的是主动前端AFE,逆变部分采用IGBT作为大功率开关器件。运行情况表明，该装置运行过程中，有时会出现频繁的烧IGBT故障。为方便设备检修，提高检修效率，深化人们对电机驱动逆变器频繁烧IGBT故障的理解，本文分别从IGBT和PWM逆变器的基本原理出发，着重阐述了西门子MASTERDRIVES6SE70变频调速器运行中频繁出现烧IGBT故障的基本原因和解决办法。

2原因及解决办法

1)缓冲电路、门极触发电路和门极触发电路电源出现故障。

IGBT是绝缘栅双极晶体管的简称，是由场效应晶体管MOSFET和晶体管技术结合而成的复合型器件，由于其将单极型和双极型器件的各自优点集一身，扬长避短，使其特性更加优越，具有输入阻抗高，工作速度快，通态电压低，阻断电压高，承受电流大等优点，目前作为电力半导体开关器件被应用在各个领域。

从结构图(见图1)可以看出，IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区电力晶体管GTR,其简化

收稿日期：2012-10-06

作者简介：杨进京(1963-),男，高级工程师，全国劳动模范，神华集团准格尔能源有限公司设备维修中心电气副总工程师，主要从事露天矿山各种采掘设备的电气疑难故障处理工作。

等效电路见图2。图中的电阻Rdr是厚基区GTR基区内的扩散电阻。IGBT是以GTR为主导元件，MOSFET为驱动元件的达林顿结构。图示器件为N沟道IGBT,MOSFET为N沟道型，GTR为PNP型。

图1IGBT的结构剖面图

图2IGBT简化等效电路

IGBT的开通和关断是由门极电压来控制的。门极施以正电压时，MOSFET内形成沟道，并为PNP晶体

机电与宝动化·42·露天采矿技术2013年第3期

机电与宝动化

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管提供基极电流，从而使IGBT导通。在门极施以负电压时，MOSFET内的沟道消失，PNP晶体管的基极电流被切断，IGBT即为关断。当V.为负时，?处于反向偏置状态，类似于反偏二极管，器件呈现反向阻断状态。

当V。为正时，有两种可能：

①若门极电压小于开启电压，即VcVT,则沟道不能形成，器件呈正向阻断状态。

②若门极电压大于开启电压，即VcVT,则绝缘门极下面的沟道形成，N+区的电子通过沟道进入N-漂移区，漂移到J?结，此时J?结是正向偏置，也向N-区注入空穴，从而在N-区产生电导调制，使器件正向导通。

在器件导通之后，若将门极电压突然减至零，则沟道消失，通过沟道的电子电流为零，使漏极电流有所突降，但由于N-区中注入了大量的电子、空穴对，因而漏极电流不会马上为零，而出现一个拖尾时间。

除上述IGBT的正常工作情况外，从结构图中可以看出，由于IGBT结构中寄生着PNPN四层结构，存在着由于再生作用而将导通状态锁定起来的可能性，从而导致漏极电流失控，进而引起器件产生破坏性失效。

IGBT的锁定现象又称擎住效应，IGBT复合器件内有一个寄生晶闸管存在(见图2),它由PNP和NPN两个晶体管组成。在NPN晶体管的基极与发射极之间并有一个体区电阻R,在该电阻上，P型体区的横向空穴流会产生一定的压降。对J?结来说，相当于加一个正偏电压。在规定的漏极电流范围内，这个正偏电压不大，NPN晶体管不起作用。当漏极电流大到一定程度时，这个正偏电压足以使NPN晶体管导通，进而使NPN和PNP晶体管处于饱和状态，于是寄生晶体管开通，门极失去控制作用，这就是所谓的擎住效应。IGBT发生擎住效应后，漏极电流增大，造成过高