[变频空调维修]-1.1 IPM模块

2018年3月28日12:29:53 评论 34,669 7556字阅读25分11秒

空调培训资料缩略图

第1节 IPM模块

IPM模块是变频空调器电控系统中最重要的器件之一,也是故障率较高的一个器件,属于电控系统专用器件,因此单设一节进行详细说明。

一、基础知识

1.作用

IPM模块可以简单地看作是电压转换器。室外机主板CPU输出6路信号,经模块内部驱动电路放大后控制IGBT开关管的导通与截止,将直流300V电压转换成与频率成正比的模拟三相交流电(交流30~220V、频率15~120Hz),驱动压缩机运行。

三相交流电电压越高,压缩机转速及输出功率(即制冷效果)也越高;反之,三相交流电电压越低,压缩机转速及输出功率(即制冷效果)也就越低。三相交流电电压的高低由室外机CPU输出的6路信号决定。

2.IPM模块实物外观

严格意义上的IPM模块如图1-1和图1-2所示。它是一种智能集成电路,将IGBT连同驱动电路和多种保护电路封装在同一模块内,从而简化了设计,提高了稳定性。IPM模块只有固定在外围电路的控制基板上,才能组成模块组件。

3.IPM模块组件

在实际应用中,IPM模块通常与控制基板组合在一起。如三菱一种型号为PM20CTM060的IPM模块与带开关电源功能的控制基板组合(见图1-3),即组成带开关电源功能的IPM模块组件。本书中将这种模块板组件简称为“模块”。

 

图1-1 仙童FSBB15CH60模块

图1-1 仙童FSBB15CH60模块

图1-2 三菱第三代模块

图1-2 三菱第三代模块

图1-3 IPM模块组件

图1-3 IPM模块组件

4.固定位置

由于模块工作时产生很高的热量,因此设有面积较大的铝制散热片,并固定在上面,中间有绝缘垫片(见图1-4),设计在室外机电控盒里侧,室外轴流风扇运行时带走铝制散热片表面的热量,间接为模块散热。

图1-4 模块固定位置

图1-4 模块固定位置

二、输入与输出电路

图1-5所示为模块输入与输出电路的方框图,图1-6所示为实物图。

图1-5 模块输入与输出电路方框图

图1-5 模块输入与输出电路方框图

说明:直流300V供电回路中,在实物图上未显示PTC电阻、室外机主控继电器、滤波电感等元器件。

图1-6 模块输入与输出电路实物图

图1-6 模块输入与输出电路实物图

1.输入部分

①P、N:由滤波电容提供直流300V电压,为模块内部开关管供电,其中P外接滤波电容正极,内接上桥3个IGBT开关管的集电极;N外接滤波电容负极,内接下桥3个IGBT开关管的发射极。

②15V:由开关电源提供,为模块内部控制电路供电。

③6路驱动信号:由室外机CPU提供,经模块内部控制电路放大后,按顺序驱动6个IGBT开关管的导通与截止。

2.输出部分

①U、V、W:即IGBT上桥与下桥的中点,输出与频率成正比的模拟三相交流电,驱动压缩机运行。

②FO(保护信号):当模块内部控制电路检测到过热、过流、短路、15V电压低4种故障时,输出保护信号至室外机CPU。

三、常见形式及特点

国产变频空调器从问世到目前约有10年的时间,在此期间出现了许多新改进的机型。模块作为重要部件,也从最初只有模块的功能,到集成CPU控制电路,再到目前常见的模块控制电路一体化,经历了很多技术上的改变。

1.只具有模块功能的模块

使用只有模块功能的模块的代表机型有海信KFR-4001GW/BP、海信KFR-3501GW/BP等,此类模块多见于早期的交流变频空调器。

该模块使用光耦传递6路驱动信号,直流15V电压由室外机主板提供(分为单路15V供电和4路15V供电2种)。

此类模块常见型号为三菱PM 20CTM 060(见图1-7),可以称其为第二代模块,最大负载电流20A,最高工作电压600V,采用铝制散热片,目前已经停止生产。

图1-7 只有模块功能的模块

图1-7 只有模块功能的模块

2.带开关电源的模块

如图1-8所示,带开关电源模块的代表机型有海信KFR-2601GW/BP、美的KFR-26GW/BPY-R等,此类模块多见于早期的交流变频空调器,在只有模块功能的模块板基础上改进而来。

模块板增加开关电源电路,次级输出4路直流15V和1路直流12V2种电压。直流15V电压直接供给模块内部控制电路;直流12V电压输出至室外机主板7805稳压块,为室外机主板供电,室外机主板则不再设计开关电源电路。

此类模块常见型号同样为三菱PM 20CTM 060,由于此类模块已停止生产,而市场上还存在大量使用此类模块的变频空调器,为供应配件,目前有改进的模块作为配件出现,如使用东芝或三洋的模块,东芝型号为IPM PIG20J503L。

图1-8 带开关电源功能的模块

图1-8 带开关电源功能的模块

3.集成CPU控制电路的模块

如图1-9所示,集成CPU控制电路的模块的代表机型有海信KFR-26GW/18BP等,此类模块多见于目前生产的交流变频空调器或直流变频空调器。

图1-9 集成CPU控制电路的模块

图1-9 集成CPU控制电路的模块

模块板集成CPU控制电路,室外机电控系统的弱信号控制电路均在模块板上处理运行。室外机主板只是提供模块板所必需的直流15V(模块内部控制电路供电)、5V(室外机CPU和弱信号电路供电)电压,以及传递通信信号、驱动继电器等。

该模块生产厂家有三菱、三洋、仙童(也译作飞兆)等,可以称其为第三代模块。本模块与三菱PM 20CTM 060系列模块相比有着本质区别。一是6路信号为直接驱动,中间不再需要光耦,这也为集成CPU提供了必要的条件;二是成本较低,通常为非铝制散热片;三是模块内部控制电路使用单电源直流15V供电;四是内部可以集成电流检测元器件,与外围元器件共同作用,可组成电流检测电路。

4.控制电路一体化的模块

如图1-10所示,采用控制电路一体化模块的代表机型有美的KFR-35GW/Bp2DN1Y-H(3)、三菱重工KFR-35GW/AIBP等,此类模块多见于目前生产的交流变频空调器、直流变频空调器及全直流变频空调器,也是目前比较常见的一种类型,在集成CPU控制电路模块的基础上改进而来。

图1-10 控制电路一体化的模块

图1-10 控制电路一体化的模块

模块、室外CPU控制电路、弱信号处理电路、开关电源电路、滤波电容、硅桥、通信电路、PFC电路、继电器驱动电路等,也就是说室外机电控系统所有电路均集成在一块电路板上,只需配上传感器、滤波电感等少量外围元器件即可以组成室外机电控系统。

该模块生产厂家有三菱、三洋、仙童等,可以称其为第四代模块,是目前最常见的控制类型。由于所有电路均集成在一块电路板上,因此其出现故障维修时也最简单。

四、分类

根据CPU输出6路驱动信号至模块内部控制电路的过程,模块可分为使用光耦耦合与直接驱动两种。

1.6路信号使用光耦耦合的模块特点

实物外观如图1-7和图1-8所示。

①通常用于早期生产的交流变频空调器。

②CPU输出的6路信号经光耦耦合至模块内部控制电路,模块输出的保护信号也是经光耦耦合至CPU,即CPU电路与模块内部电路相互隔离。

③模块与CPU控制电路通常设计在两块电路板上,使用排线连接。

④模块内部控制电路使用的直流15V电压通常为4路供电。

⑤模块通常与开关电源电路设计在一块电路板上面。

2.6路信号直接驱动的模块特点

实物外观如图1-9和图1-10所示。

①通常用于目前生产的交流变频空调器或直流变频空调器。

②CPU输出的6路信号直接送至模块内部控制电路,中间无光耦。

③模块通常与CPU控制电路集成到一块电路板上面。

④模块内部控制电路使用的直流15V电压为1路供电。

⑤体积更小,智能化程度更高,成本更低,且不易损坏(指模块内部IGBT开关管不易损坏)。

⑥模块内部集成电流检测电路或外置模块电流检测电阻,只需外围电路放大信号,即可输送至CPU电流检测引脚。

五、交流与直流变频空调器模块区别

在实际应用中,同一个型号的模块既能驱动交流变频空调器的压缩机,也能驱动直流变频空调器的压缩机,所不同的是由模块组成的控制电路板不同。驱动交流变频压缩机的模块板通过改动程序(即修改CPU或存储器的内部数据),即可驱动直流变转速电机(即直流变频空调器使用的压缩机)。模块板硬件方面有以下几个区别。

1.模块板增加位置检测电路

如仙童FSBB15CH60模块,在海信KFR-28GW/39M BP交流变频空调器中(见图1-11)驱动交流变频压缩机。

而在海信KFR-33GW/25MZBP直流变频空调器中(见图1-12),电路板上增加了位置检测电路,驱动直流变频压缩机。

图1-11 海信KFR-28GW/39M BP模块板正面与背面

图1-11 海信KFR-28GW/39M BP模块板正面与背面

图1-12 海信KFR-33GW/25M ZBP模块板正面与背面

图1-12 海信KFR-33GW/25M ZBP模块板正面与背面

2.模块板双CPU控制电路

如三洋STK621-031模块,在海信KFR-26GW/18BP交流变频空调器中(见图1-13)驱动交流变频压缩机。

而在海信KFR-32GW/27ZBP直流变频空调器中(见图1-14),模块板使用双CPU设计,其中一个CPU的作用是与室内机通信,采集温度信号,并驱动继电器等,另外一个CPU专门控制模块,驱动直流变频压缩机。

3.双主板双CPU设计电路

目前常用的一种设计形式为设有室外机主板和模块板,如图1-15和图1-16所示。每块电路板上面均设计有CPU,室外机主板为主控CPU,作用是采集信号和驱动继电器等;模块板为模块驱动CPU,专门用于驱动变频模块和PFC模块。

图1-13 海信KFR-26GW/18BP模块板正面与背面

图1-13 海信KFR-26GW/18BP模块板正面与背面

图1-14 海信KFR-32GW/27ZBP模块板正面与背面

图1-14 海信KFR-32GW/27ZBP模块板正面与背面

图1-15 室外机主板正面和背面

图1-15 室外机主板正面和背面

图1-16 模块板正面和背面

图1-16 模块板正面和背面

六、测量方法

使用数字万用表测量无论什么类型的模块时,其内部控制电路是否正常均不能判断,但可以用万用表对内部6个IGBT开关管作简单的检测。

从如图1-17所示的模块内部IGBT开关管方框简图可知,P、N、U、V、W端子之间应符合二极管的特性,因此应选择数字万用表的二极管挡进行测量。

图1-17 模块内部IGBT开关管方框简图

图1-17 模块内部IGBT开关管方框简图

①测量P、N端子。如图1-18所示,相当于D1和D2(或D3和D4、D5和D6)串联。

数字万用表红表笔接P、黑表笔接N为反向测量,结果为无穷大;红表笔接N、黑表笔接P为正向测量,结果为733mV。

如果正反向测量结果均为无穷大,为模块P、N端子开路;如果正反向测量接近0mV,为模块P、N端子短路。

②测量P与U、V、W端子。相当于测量D1、D3、D5。

如图1-19所示,红表笔接P,黑表笔接U、V、W,为反向测量,3次测量结果相同,应均为无穷大。

如图1-20所示,红表笔接U、V、W,黑表笔接P,为正向测量,3次测量结果相同,应均为406mV。

如果反向测量或正向测量时P与U、V、W端结果接近0mV,则说明模块PU、PV、PW结击穿。实际损坏时有可能是PU、PV结正常,只有PW结击穿。

图1-18 测量P、N端子

图1-18 测量P、N端子

图1-19 反向测量P与U、V、W端子

图1-19 反向测量P与U、V、W端子

图1-20 正向测量P与U、V、W端子

图1-20 正向测量P与U、V、W端子

③测量N与U、V、W端子。相当于测量D2、D4、D6。

如图1-21所示,红表笔接N,黑表笔接U、V、W,为正向测量,3次测量结果相同,应均为406mV。

图1-21 正向测量N与U、V、W端

图1-21 正向测量N与U、V、W端

如图1-22所示,红表笔接U、V、W,黑表笔接N,为反向测量,3次测量结果相同,应均为无穷大。

图1-22 反向测量N与U、V、W端

图1-22 反向测量N与U、V、W端

如果反向测量或正向测量时,N与U、V、W端结果接近0mV,则说明模块NU、NV、NW结击穿。实际损坏时有可能是NU、NW结正常,只有NV结击穿。

④测量U、V、W端子。如图1-23所示,由于模块内部无任何连接,U、V、W端子之间无论正向或反向测量,结果相同,应均为无穷大。

图1-23 测量U、V、W端子

图1-23 测量U、V、W端子

如果结果接近0mV,则说明UV、UW、VW结击穿。实际维修时,U、V、W之间击穿损坏的比例很小。

七、测量说明

①测量时应将模块上P、N端子滤波电容供电,U、V、W压缩机线圈引线全部拔下。

②上述测量方法使用数字万用表。如果使用指针万用表,选择R×1k挡,测量时红、黑表笔所接端子与上述方法相反,得出的结论才会一致。

③不同的模块、不同的万用表正向测量时得出结果会不相同,但一定要符合内部6个续流二极管连接特点所形成的规律。同一模块、同一万用表正向测量P与U、V、W端或N与U、V、W端时,结果应相同(如本次测量为406mV)。

④P、N端子正向测量得出的结果,应大于P与U、V、W或N与U、V、W得出的数值。

⑤测量模块时不要死记得出的数值,要掌握规律。

⑥模块常见故障为PN、PU(或PV、PW)、NU(或NV、NW)击穿,其中PN端子击穿的比例最高。

⑦纯粹的模块为一体化封装,如内部IGBT开关管损坏,维修时只能更换整个模块板组件。

⑧模块与控制基板(电路板)焊接在一起,如模块内部损坏,或电路板上某个元器件损坏但检查不出来,维修时也只能更换整个模块板组件。

八、更换步骤

说明:此处以早期模块为例,如果更换目前的模块,则省略步骤③和④,其他步骤相同。

①如图1-24左图所示,将绝缘垫片对准散热片的螺丝孔并放好。如果绝缘垫片未放好,模块背部的铝制散热片与散热片接触后,容易出现漏电故障或损坏模块。

②如图1-24右图所示,安装模块,使用螺丝刀用力均匀地拧紧2个固定螺丝。此处需要说明的是,拧紧螺丝一定要两端用力均匀,如果固定螺丝未拧紧或用力不均匀,模块与散热片接触不好,模块工作时产生的热量不能及时传送到散热片,容易使模块过热损坏。

图1-24 安装螺丝

图1-24 安装螺丝

③如图1-25左图所示,检查模块插座内的引针是否弯曲或缺针。如果弯曲应将其挑正,否则安装排线后,某一针与连接线未接触上,将会引发各种各样的故障。例如6路信号中引针弯曲1个而没有发现,这样6路信号变为5路信号输入,模块工作约1min后会直接炸开,这时只能再次更换模块。

④如图1-25右图所示,插好连接排线。

图1-25 检查插座引针和安装信号引线

图1-25 检查插座引针和安装信号引线

⑤如图1-26左图所示,插好P、N端子连接引线,注意一定不能插反。插反后,如果主滤波电容内没有存储电量,在室外机上电过程中,直流300V电压正极经模块内续流二极管直接连接负极,相当于直流300V电压短路,PTC电阻发烫,室外机不运行,室内机报故障代码为“通信故障”;如果主滤波电容内存储有相当能量的电量,P、N端子引线插反后,模块会直接炸开,只能再次更换。

⑥如图1-26右图所示,插好U、V、W端子连接引线,注意一定不能插反,插反后将会引起压缩机反转运行。如U对应,而V和W插反,这时压缩机将反转运行,和定频空调器使用三相涡旋压缩机反转时表现的现象相同,排除的方法也一样,任意对调两根引线的位置即可。

图1-26 安装模块强电引线

图1-26 安装模块强电引线

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