變頻空調器模組

第二章變頻空調器模組和變頻壓縮機

第一節模組

IPM為智慧功率模組（簡稱模組），是變頻空調器電控系統中最重要的元器件之一，也是故障率較高的一個器件，屬於電控系統主要元器件之一，由於知識點較多，因此單設-節進 行詳細說明。

一、基礎知識

1。模組板元件

（1）接線端子

圖2-1左圖為海爾公司早期某款交流變頻空調器使用的模組板元件，主要接線端子功能如下：ACL和ACN：共2個端子，為交流220V輸入，接室外機主機板的交流220V。

RO和RI：共2個端子，接外接的濾波電感。

N-和P+：共2個端子，接外接的濾波電容。

U、V、W：共3個端子，為輸出，接壓縮機線圈。

右下角的白色插座共4個引針，為訊號傳送，接室外機主機板，使室外機主機板CPU控制模組板元件以驅動壓縮機執行。

從圖2-1右圖可以看出，用於驅動壓縮機的IGBT開關管，採用分立元件形式。

（2）單元電路

取下模組板元件的散熱片，檢視電路板單元電路，見圖2-2，主要由以下幾個單元電路組成：整流電路（ 整流矽橋）、PFC電路（改善電源功率因數）、電流

檢測電路、開關電源電路（提供直流15V、3-3V等電壓）、控制電路（ 模組板元件CPU）、驅動電路（驅動IGBT開關管）和6個IGBT開關管等電路組成。

由於分立元件形式的IGBT開關管故障率和成本均較高，且體積較大，如果將6個IGBT開關管、驅動電路、電流檢測電路等單獨封裝在一一起，見圖2-2右圖，即組成常見的IPM模組。

說明：圖2-2左圖中，控制電路使用的整合塊為東芝公司生產的微處理器，型號為TMG88CH4oMG；驅動電路使用的整合塊為IR公司生產，型號為2136S，功能是3相橋式驅動器，用於驅動6個IGBT開關管。

（3） IGBT開關管

模組內部開關管方框簡圖見圖2-3，實物圖見圖2-4。模組最核心的部件是IGBT開關管，壓縮機有3個接線端子，模組需要3組獨立的橋式電路，每組橋式電路由上橋和下橋組成，因此模組內部共設有6個IGBT開關管，分別稱為U相上橋（U+）和下橋（U-）、V相上橋（V+）和下橋（V-）、W相上橋（W+）和下橋（W-），由於工作時需要透過較大的電流，6個IGBT開關管固定在面積較大的散熱片上面。

圖2-4中IGBT開關管的型號為東芝GT20J321，為絕緣柵雙極型電晶體，共有3個引腳，從左到右依舊為G （門極）、C （集電極或稱為漏極D）、E （發射極或稱為源極S），內部C極和E極並聯有續流二極體。

室外機CPU （ 或控制電路）輸出的6路訊號（弱電），經驅動電路放大後接6個IGBT開關管的門極，3個上橋的集電極接直流300V的正極P端子，3個下橋的發射極接直流3ooV的負極N端子，3個上橋的發射極和3個下橋的集電極相通為中點輸出，分別為U、V、W接壓縮機線圈。

（4） IPM模組

嚴格意義的IPM模組見圖2-5，是一種智慧的模組，將IGBT連同驅動電路和多種保護電路封裝在同一個模組內，從而簡化了設計，提高了穩定性。IPM模組只有固定在外圍電路的控制基板上，才能組成模組板元件。

2。工作原理

模組可以簡單地看作是電壓轉換器。室外機主機板CPU輸出6路訊號，經模組內部驅動電路放大後控制IGBT開關管的導通與截止，將直流300V電壓轉換成與頻率成正比的模擬三相交流電（ 交流30~ 220V、頻率15 ~ 120Hz），驅動壓縮機執行。

三相交流電壓越高，壓縮機轉速及輸出功率也越高（即製冷效果越好） ；反之，三相交流電壓越低，壓縮機轉速及輸出功率也就越低（即製冷效果越差）。三相交流電壓的高低由室外機CPU輸出的6路訊號決定。

3。安裝位置

由於模組工作時會產生很高的熱量，因此設有面積較大的鋁製散熱片，並固定在上面，見圖2-6， 模組設計在室外機電控盒裡側，室外風扇執行時帶走鋁製散熱片表面的熱量，間接為模組散熱。

二、模組輸入與輸出電路

圖2-7為模組輸入與輸出電路框圖；圖2-8為實物圖。

說明：直流30oV供電迴路中，在實物圖上未顯示PTC電阻、室外機主控繼電器、濾波電感等元器件。

1。輸入部分

①P、N：由濾波電容提供直流300V電壓，為模組內部的IGBT開關管供電，其中P端外接濾波電容正極，內接上橋3個IGBT開關管的集電極：N端外接濾波電容負極，內接下橋3個IGBT開關管的發射極。

②15V：由開關電源電路提供，為模組內部控制電路供電。

③6路訊號：由室外機CPU提供，經模組內部控制電路放大後，按順序驅動6個IGBT開關管的導通與截止。

2。輸出部分

①U、V、W：即上橋與下橋IGBT開關管的中點，輸出與頻率成正比的模擬三相交流電，驅動壓縮機執行。

②FO （保護訊號） ：當模組內部控制電路檢測到過熱、過電流、短路、15V電壓低4種故障時，輸出保護訊號至室外CPU。

三、常見模組形式與特點

國產變頻空調器從問世到現在大約有20年的時間，在此期間出現了許多改進的機型。模組作為重要部件，也從最初只有模組的功能，到整合CPU控制電路，再到目前常見的模組控制電路-體化，經歷了很多技術上的改變。

1。只具有模組功能的模組

代表產品有海信KFR-4001GW/BP、海信KFR-3501GW/BP等機型，模組實物外形見圖2-9，此類模組多見於早期的交流變頻空調器。

使用光耦合器傳遞6路訊號，直流15V電壓由室外機主機板提供（ 分為單路15V供電和4路15V供電兩種）。

模組常見型號為三菱PM2oCTMo60，可以稱其為第二代模組，最大負載電流20A，最高工作電壓600V，帶有鋁製散熱片，目前已經停產。

2。帶開關電源電路的模組

代表產品有海信KFR-2601GW/BP、美的KFR-26GW/BPY-R等機型，模組實物外形見圖2-10，此類模組多見於早期的交流變頻空調器，在只有模組功能的模組板基礎上改進而來。

模組板增加開關電源電路，二次繞組輸出4路直流15V和1路直流12V兩種電壓，直流15V電壓直接供給模組內部的控制電路，直流12V電壓輸出至室外機主機板7805穩壓塊的①腳輸入端，為室外機主機板提供5V電壓，室外機主機板則不再設計開關電源電路。

模組常見型號同樣為三菱PM2oCTMo6o，由於此類模組已停產，而市場上還存在大量使用此類模組的變頻空調器，為供應配件，目前有改進的模組作為配件出現，使用東芝或三洋的模組，東芝型號為IPMPIG20J503L。

3。整合CPU控制電路的模組

代表產品有海信KFR-26GW/18BP等機型，模組實物外形見圖2-11，此類模組多見於目前生產的交流變頻空調器或直流變頻空調器。

模組板整合CPU控制電路，室外機電控系統的弱電訊號控制電路均在模組板上處理執行。室外機主機板只是提供模組板所必需的直流15V（模組內部控制電路供電）、5V （室外機CPU和弱電訊號電路供電）電壓，以及傳遞通訊訊號、驅動繼電器等功能。

模組生產廠家有三菱、三洋、仙童（也譯作飛兆）等，可以稱其為第三代模組。與使用三菱PM2oCTMo6o系列模組相比，有著本質的區別。首先是6路訊號為直接驅動，中間不再需要光耦合器，這也為整合CPU提供了必要的條件：其次是成本較低，通常為非鋁製散熱片：再次是模組內部控制電路使用單電源直流15V供電；最後是內部可以整合電流檢測元器件，與外圍元器件電路即可組成電流檢測電路。

4。控制電路一體化的模組

代表產品有格力KFR-35GW/ （ 32556 ） FNDe-3、三菱重工KFR-35GW/AIBP等機型，模組實物外形見圖2-12，此類模組多見於目前生產的交流變頻空調器、直流變頻空調器與全直流變頻空調器，也是目前比較常見的一種型別，在整合CPU控制電路模組的基礎上改進而來。

模組、室外機CPU控制電路、弱電訊號處理電路、開關電源電路、濾波電容、矽橋、通訊電路、PFC電路、繼電器驅動電路等，也就是說室外機電控系統所有電路均整合在一塊電路板上，只需要配上感測器、濾波電感等少量外圍元器件即可以組成室外機電控系統。

模組生產廠家有三菱、三洋、仙童等，可以稱其為第四代模組，是目前最常見的控制型別，由於所有電路均整合在一塊電路板上，因此在出現故障後維修時也是最簡單的一類空調器。

四、硬體電路區別

在實際應用中，同一個型號的模組既能驅動交流變頻空調器的壓縮機，也能驅動直流變頻空調器的壓縮機，所不同的是由模組組成的控制電路板不同。驅動交流變頻壓縮機的模組板透過改動程式（即修改CPU或儲存器的內部資料），即可以驅動直流變頻壓縮機。模組板硬體方面有以下幾種區別。

1。模組板增加位置檢測電路

如仙童FSBB15CH6o模組，在海信KFR-28GW/39MBP交流變頻空調器中，見圖2-13，驅動交流變頻壓縮機；而在海信KFR -33GW/25MZBP直流變頻空調器中，見圖2-14， 基板上增加位置檢測電路，驅動直流變頻壓縮機。

2。模組板雙CPU控制電路

如三洋STK621-031 （041） 模組，在海信KFR-26GW/18BP交流變頻空調器中，見圖2-15， 驅動交流變頻壓縮機；而在海信KFR-32GW/27ZBP中， 見圖2-16，模組板使用雙CPU設計，其中一個CPU的作用是與室內機通訊，採集溫度訊號，並驅動繼電器等，另外一個CPU專門控制模組，驅動直流變頻壓縮機。

3。雙主機板雙CPU設計電路

目前常用的一種設計形式是設有室外機主機板和模組板，見圖2-17和圖2-18，每塊電路板上面均設計有CPU，室外機主機板為主控CPU，作用是採集溫度訊號和驅動繼電器等，模組板為模組驅動CPU，專門用於驅動變頻模組和PFC模組。

五、模組測量方法

無論任何型別的模組使用萬用表測量時，內部控制電路工作是否正常均不能判斷，只能對內部6個開關管做簡單的檢測。

從圖2-3所示的模組內部IGBT開關管方框簡圖可知，萬用表顯示值實際為IGBT開關管並聯6個續流二極體的測量結果，因此應選擇二極體檔，且P、N、U、V、W端子之間應符合二極體的特性。

各個空調器的模組測量方法基本相同，本小節以測量海信KFR-26GW/11BP交流變頻空調器使用的模組為例（ 實物外形見圖2-19），介紹模組測量方法。

1。測量P、N端子

相當於D1和D2 （ 或D3和D4、D5和D6）串聯。

紅表筆接P，黑表筆接N，為反向測量，見圖2-20左圖， 結果為無窮大。

紅表筆接N，黑表筆接P，為正向測量，見圖2-20右圖， 結果為817mV。

如果正反向測量結果均為無窮大，為模組P、N端子開路：如果正反向測量結果均接近omV，為模組P、N端子短路。

2。測量P與U、V、W端子

相當於測量D1、D3、D5。

紅表筆接P，黑表筆接U、V、w，為反向測量，測量結果見圖2-21， 3次結果相同，應均為無窮大。

紅表筆接U、V、W，黑表筆接P，為正向測量，測量過程見圖2-22，3次結果相同，應均為450mV。

如果反向測量或正向測量時P與U、V、W端結果接近omV，則說明模組PU、PV、PW結擊穿。實際損壞時有可能是PU、PV結正常，只有PW結擊穿。

3。測量N與U、V、W端子

相當於測量D2、D4、D6。

紅表筆接N，黑表筆接U、V、w，為正向測量，測量結果見圖2-23，3次結果相同，應均為451mV。

紅表筆接U、V、W，黑表筆接N，為反向測量，測量結果見圖2-24，3次結果相同，應均為無窮大。

如果反向測量或正向測量時，N與U、V、W端結果接近omV，則說明模組NU、NV、NW結擊穿。實際損壞時有可能是NU、NW結正常，只有NV結擊穿。

4。測量U、V、W端子

測量結果見圖2-25，由於模組內部無任何連線，U、V、W端子之間無論正反向測量，結果相同應均為無窮大。

如果結果接近omV，則說明UV、UW、VW結擊穿。實際維修時，U、V、W之間擊穿損壞的情況較少。

5。測量說明

①測量時應將模組上的P、N端子濾波電容供電，U、V、W壓縮機線圈共5個端子的引線全部拔下。如測量目前室外機電控系統中模組一體化的主機板，見圖2-26，通常未設單獨的P、N、U、V、w，則測量模組時需要斷開空調器電源，並將濾波電容放電至直流oV，其正極相當於P端，負極相當於N端，再拔下壓縮機線圈的對接插頭，3根引線即為U、V、W端。

②上述測量方法使用數字式萬用表。如果使用指標式萬用表，選擇Rx1k檔，測量時紅、黑表筆所接端子與上述方法相反，得出的規律才會- -致。

③不同的模組、不同的萬用表正向測量時得出結果數值會不相同，但一定要符合內部6個續流二極體連線特點所組成的規律。同一模組同一萬用表正向測量P端與U、V、W端或N端與U、V、W端時，結果數值應相同。

④P、N端子正向測量得出的結果數值應大於P端與U、V、W端或N端與U、V、W端得出的數值。

⑤測量模組時不要死記得出的數值，要學握規律。

⑥模組常見故障為PN、PU （或PV、PW）、NU （或NV、NW）端子擊穿，其中PN端子擊穿的比例最高。

⑦純粹的模組為一-體化封裝，如內部IGBT開關管損壞，只能更換整個模組板元件。

⑧模組與控制基板（電路板）焊接在一起，如模組內部損壞，或電路板上某個元器件損壞但檢查不出來，也只能更換整個模組板元件。