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新能源汽车维修专题-15

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上节课我们讲了IGBT的基本原理,还有单个IGBT元件的测量方法。这节课我们来看一下,具体在新能源汽车的维修当中,还要学点什么呢?

之前讲过,新能源汽车上面的IGBT都是被集成为一个模块化的部件,在这些模块内部,IGBT还要通过所谓的“桥接”方式,组成整流(交流变直流)或者逆变(直流变交流)所需要的回路。


“桥接”的方式有好几种,最常见的就是“三相六臂全桥”,听上去就像是哪吒的“三头六臂”,感觉很神奇吧。它确实很厉害,被广泛用于各种无刷电机,帮助实现直流转交流的逆变功能。比如新能源汽车驱动所需要的最核心的电机控制器,就是通过这个电桥,将来自于动力电池的高压直流电(主正、主负)转为电机驱动所需的三相交流电(U、V、W)。

什么是“三相六臂全桥”?

大家好好研究一下这个“三相六臂全桥”的电路图,就可以知道它的工作原理了。整套电路结构对称规整,6颗完全一样的IGBT管,分为上下两层(上下两组桥臂),组成三组独立桥臂,对应电机U、V、W三相绕组,形成完整的全桥逆变回路,这个结构布局可总结为“上下双排、三相对应、首尾闭环”。


“三相六臂全桥”的电路图

上桥臂3颗IGBT的集电极统一并联,接入动力电池高压正极,作为电路的高压输入端,相当于三相电路的上游可控开关。下桥臂3颗IGBT的发射极统一并联,接入动力电池高压负极,作为电路的接地回流端,相当于三相电路的下游可控开关。此外,上桥臂单个IGBT的发射极和与其对应的下桥臂IGBT的集电极相连,并且分别接到U、V、W这3根相线。

具体的直流转交流的逆变过程,完全依靠对连接这些IGBT栅极的控制系统来实现。这个控制系统会按照固定相位差、固定频率,轮流控制6颗IGBT交替导通、关断。通过改变每相电路的通电时长、通电顺序和开关频率,将原本恒定不变的直流电,切割成为三组相位互差120°、幅值和频率可动态调节的正弦交流电,输送到U、V、W相线。

提醒大家注意,这个“三相六臂全桥”的IGBT模块是可控双向桥,既可以通过IGBT组成的逆变桥,实现直流转交流,也能依靠续压二极管组成的整流桥,实现交流转直流。所以它用在电机控制器上,既能行车逆变,给电机提供驱动所需的三相交流电,也能制动整流,在车辆减速时将动能转化为电能,回收反充到动力电池里面。


IGBT元件

知道了IGBT模块的原理,我们再来看看它会有什么样的故障?该怎么检修?

主要讲一下电机控制器里面的IGBT模块,它损坏后,车辆通常会出现无法上高压、READY 灯不亮、挂挡跳闸、行驶中突然动力受限、加速无力或整车顿挫失速等现象,同时车载系统会触发相关故障码。常见的故障码有:P0A1F(驱动电机性能故障)、P0A3A(逆变器性能故障),P0A00-P0A0F (高压逆变器过流短路故障)、P0A10- P0A19(电机控制器驱动电源故障)、P0A20-P0A29 (IGBT 模块过流过热及脱饱和故障),像比亚迪等车型还会报出IPM模块故障、IGBT上下桥臂故障码,部分情况下还会连带触发高压欠压、高压互锁报警故障码,若是 IGBT 已经击穿短路,还会直接烧坏高压保险,出现三相绕组对地或相间短路的情况。只要车辆报出逆变器、IPM、IGBT、过流、驱动异常等等这类相关故障,同时伴随车辆无法上电或动力异常现象,都要优先排查电机控制器内部的 IGBT 器件是否损坏。

怎么检修IGBT模块?

具体怎么排查呢?我们在整车下电之后,拆解一下电机控制器,拆下它的上盖板,就可以看到IGBT模块了。

先检查它的外观,看是否有碳化发黑、鼓包、炸裂、引脚虚接烧蚀等迹象。另外,看一下模块与散热基板的导热硅脂是否干枯、脱落、发黑,硅脂失效会导致散热不良,引发IGBT过热击穿。若有上述异常状况,可直接判定IGBT模块损坏,无需再做测量,直接更换模块即可。如果外观看不出异常,就需要通过仪器来检测,看它是否存在隐性故障。

上节课我们已经学过了单个IGBT元件的测量,我们现在就主要讲针对整个IGBT模块的检测方法。其实检测起来也很简单,就是将IGBT模块拆出来,断开所有接线,将万用表调至二极管档,先对三相桥臂的导通特性依次进行测量,具体步骤如下。

先测上桥臂,将黑表笔接高压直流正极(+),红表笔分别接触U、V、W三相端子,正常应显示0.3V-0.7V的稳定压降,这个压降实际是来自于前面提到过的续流二极管,具体的压降值就取决于这个二极管的实际参数,压降值具体是多少不重要,关键是三相的压降数值都必须基本一致,误差不能超过0.1V。测完二极管正向导通的压降值,我们再将表笔反接(黑表笔接直流负极、红表笔接U、V、W三相端子),这时候二极管处于反向截止状态,万用表就应该显示OL(无穷大)。最常见的异常情况是压降值低至0V,这表明IGBT已经被击穿短路了,还有就是三相的压降差值过大,这说明某个IGBT的性能已经出现衰减,工作时也会因此出现电流失衡、过热报错等故障。


压降在0.3V-0.7V之间

再测下桥臂,将红表笔接高压直流负极(-),黑表笔分别接触U、V、W三相端子,正常情况下同样会显示0.3V-0.7V压降。表笔反接后,也应显示OL(无穷大),故障判断标准和上面完全一样。


压降显示OL(无穷大)

通过测量IGBT模块内部续压二极管的导通状况和压降一致性,可以快速排查已较为明显、较为严重的IGBT故障,但是针对某些在高压上电状态下才会出现的隐性故障,这种测量方法就有可能测不出来了。

这时候就需要用到一个小小的耐压检测仪,通过它给IGBT模块施加一个短暂的高电压,就能依次测量各个二接管的耐压状况。将检测仪的输出电压调到1000-1400V之间,电流调节到1.7mA左右,先测上桥臂的耐压状况,将红色线夹到高压直流正极,黑色线依次夹到U、V、W三相端子,短暂按下放电按键,记录表显的最高耐压值,如果和输出电压基本一致,则说明耐压值正常,如果明显低于输出电压,那肯定有问题。测完上桥臂之后,再将黑色线夹到高压直流负极,红色线再依次夹到U、V、W三相端子,测量下桥臂的耐压值,看是否正常。


耐压检测仪

检查出IGBT有故障,又该如何维修呢?大多数情况下是需要更换整个模块,因为现在的新能源汽车更多是采用6合1的一体式封装模块,不好拆开更换单个元件。如果你只想更换内部元件而且动手能力也够强,建议把6颗IGBT全部换了,防止新旧混装参数偏差造成三相电流失衡。

学会检修电机控制器内部的IGBT模块,其他部件的IGBT也是大同小异,一通百通了。


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