功率单元基本原理及常见故障分析
第一部分 功率单元基础知识及基本原理
一、功率单元基础知识
1．什么是功率单元
功率单元是使用功率电力电子器件进行整流、滤波、逆变的高压变频器部件。

功率单元是构成高压变频器主回路的主要部分。

2．我公司功率单元的型号定义
PC ×××
罗马数字： IGBT 的额定电流值
功率单元（英文Power Cell 的简写 ）
例如：PC100表示配置IGBT 额定电流为100A 的功率单元。

3. 功率单元上主要电力电子器件简介
1）整流桥
其作用是整流（将交流变成直流）。

我公司使用的整流桥内部封装形式有以下两种，图1所示的封装内部有6只整流二极管，用在功率单元的三相输入端；图2所示的封装内部有2只整流二极管，用在功率单元的三相输入端以及旁通回路中。

目前我公司使用的整流桥品牌有： Semikron 、Eupec ；
使用的整流桥电压等级有：1400V 、1800V ；
例如：SKD62/18、SKKD260/14。

2）可控硅
图2 封装2只整流二极管的整流桥模块 图1 封装6只整流二极管的整流桥模块
可控硅使用在充电电路和旁通回路上，均起“开关”作用。

我公司使用的可控硅内部封装形式如图3所示：
目前我公司使用的可控硅品牌有：Semikron ；
使用的可控硅电压等级有：1400V 、1800V ；
例如：SKKH57/18E 、SKKT210/14E 。

3）电解电容
其作用是对整流桥整流后的直流进行滤波。

目前我公司使用的电解电容品牌有：NICHICON （日本）、BHC （英国）、CDE （美国）。

使用的电压等级有： 400V 。

使用的容量有3300uF 、6800uF 、10000uF 。

4) IGBT
其作用是逆变（将直流变为交流）。

我公司目前使用的IGBT 大部分为“双管”（内部封装了两组IGBT 模块），内部封装示意图如图4所示：
目前我公司使用的IGBT 品牌有：Eupec 、Semikron ；
使用的IGBT 电压等级有：1200V 、1700V ；
使用的IGBT 电流等级有：75A 、100A 、150A 、200A 、300A 、400A 等；
例如：BSM100GB170DLC 、FF400R12KE3。

二、功率单元拓扑结构
1．主回路拓扑结构
如图5所示。

图4 IGBT 模块封装示意图
图3 可控硅模块
2、旁通回路拓扑结构如图6所示。

3、IGBT主回路旁通技术如图7所示：图6 旁通回路拓扑结构图
图5 功率单元主回路拓扑结构图
三、功率单元板件介绍
1．单元电源板
板件作用：
从功率单元直流母线上取电，输出24V直流电源供单元控制板使用。

板件接口：
输入接口：接功率单元正、负直流母线
输出接口：24VDC输出，接单元控制板
2．单元控制板
板件作用：
1)接收主控系统信号，给驱动板提供控制信号；
2)进行实时故障监测，向主控系统上报故障信息；
3)给单元驱动板供电。

板件接口：
1)光纤接口：与主控系统进行通信；
2)24V电源输入接口：与电源板连接；
3)驱动信号（Top1、Top2、/Lock）接口：与驱动板连接；
4)15V电源输出接口：与驱动板连接，为驱动板供电；
5)过压、欠压检测接口：与单元正负母线连接；
6)缺相检测接口：接熔断器辅助开关；
7)过热检测接口：接温度检测开关；
8)上电可控硅驱动信号接口：接上电可控硅门极；
9)旁通可控硅驱动信号接口：接旁通可控硅门极；
10)旁通OK信号检测接口：接旁通OK板。

3．单元驱动板
板件作用：
接收单元控制板的控制信号，为单元上的四路IGBT提供驱动信号，同时对驱动故障进行监测，上报单元控制板。

板件接口：
1)15V电源输入接口：接单元控制板；
2)输入信号（Top1、Top2、/Lock）：接单元控制板；
3)输出信号（ERRout）：接单元控制板；
4)输出信号（TOP1、BOT1、TOP2、BOT2路IGBT驱动信号）：分别接TOP1 、BOT1、TOP2、
BOT2路IGBT的C、G、E极。

4．旁通OK板
板件作用：
在单元控制板发出旁通信号以后，对旁通回路进行检测，检测信号输入单元控制板。

板件接口：
输入接口：接旁通可控硅A、K极；
输出接口：接单元控制板。

第二部分功率单元常见故障分析
现对功率单元部分的主要故障及其对策介绍如下：
一、单元驱动故障
（一）检测目的
防止单元在驱动电路有故障、IGBT有故障、外部短路或过流状态下工作，造成故障进一步扩大。

（二）故障原因及对策
★原因1：单元输出过流或单元外部出现短路情况。

对策：查看负载有无故障，参数设置是否合理。

★原因2：IGBT损坏。

对策：检查IGBT，更换损坏的器件。

★原因3：IGBT与单元驱动板之间的接线错误或者松动。

对策：检查接线，确保接线正确无误，牢固可靠。

★原因4：单元驱动板上的输入电源电压低于12V。

对策：检查测试单元控制板上的电源输出，做相应处理。

二、单元通信故障（下行通信故障）
（一）检测目的
当单元与主控之间不能正常进行通讯时，进行停机处理。

（二）故障原因及对策
★原因1：单元电源板故障导致无输出或输出电压低于22V。

对策：更换单元电源板。

★原因2：输入端熔断器全部损坏造成单元母线上没电。

对策：更换输入端熔断器。

★原因3：输入端整流桥损坏造成单元母线上没电。

对策：更换输入端整流桥。

★原因4：充电电阻损坏造成单元母线上没电，在系统上电时报单元通信故障。

对策：更换充电电阻。

★原因5：光纤传输故障。

对策：检查光纤，确保连接正确可靠，没有沾污，若损坏需更换新的光纤。

三、直流母线过压
（一）检测目的
防止功率单元直流母线上电压过高，造成元器件损坏。

（二）故障原因及对策
★原因1：电网电压过高，超出过压报警点。

对策：监视电网，确保电网的电压波动范围不超过报警点。

★原因2：降速过程中参数设置不合理。

对策：重新设置参数。

★原因3：负载侧有故障。

对策：检查负载，确认负载正常。

四、直流母线欠压
（一）检测目的
防止功率单元直流母线上电压过低，系统不能正常工作。

（二）故障原因及对策
★原因1：电网电压过低，出现暂降，低于欠压报警点。

对策：监视电网，确保电网的电压波动范围不低于报警点。

五、单元输入缺相
（一）检测目的
防止功率单元长期在缺相状态工作，导致对应位置的移相变压器次级绕组发热而损坏。

（二）故障原因及对策
★原因1：单元输出过流导致输入电流超过熔断器的正常工作值而熔断。

对策：查看负载有无故障，参数设置是否合理。

六、单元过热
（一）检测目的
防止IGBT的温度过高而损坏。

（二）故障原因及对策
★原因1：故障单元对应位置的滤网堵塞造成通风不畅，散热能力不够，从而使IGBT 的温度逐渐上升直到报过热故障。

对策：更换或清洗滤网。

★原因2：单元柜上的风机故障，影响功率单元的散热，从而使IGBT的温度逐渐上升直到报过热故障。

对策：检查维修风机。

★原因3：温度开关上的输出信号线与单元控制板的连接端子松动，或未插好。

对策：检查并确认连接稳固。