第二章 变频空调器模块和变频压缩机
第一节 模块
IPM为智能功率模块（简称模块），是变频空调器电控系统中最重要的元器件之一，也是故障率较高的一个器件，属于电控系统主要元器件之一，由于知识点较多，因此单设一节进行详细说明。
一、基础知识
1．模块板组件
（1）接线端子
图2-1左图为海尔公司早期某款交流变频空调器使用的模块板组件，主要接线端子功能如下：
图2-1 海尔公司早期的模块板组件
ACL和ACN：共2个端子，为交流220V输入，接室外机主板的交流220V。
RO和RI：共2个端子，接外置的滤波电感。
N-和P+：共2个端子，接外置的滤波电容。
U、V、W：共3个端子，为输出，接压缩机线圈。
右下角的白色插座共4个引针，为信号传送，接室外机主板，使室外机主板CPU控制模块板组件以驱动压缩机运行。
从图2-1右图可以看出，用于驱动压缩机的IGBT开关管，采用分立元件形式。
（2）单元电路
取下模块板组件的散热片，查看电路板单元电路，见图2-2，主要由以下几个单元电路组成：整流电路（整流硅桥）、PFC电路（改善电源功率因数）、电流检测电路、开关电源电路（提供直流15V、3.3V等电压）、控制电路（模块板组件CPU）、驱动电路（驱动IGBT开关管）和6个IGBT开关管等电路组成。
图2-2 分立元件模块板组件和IPM模块
由于分立元件形式的IGBT开关管故障率和成本均较高，且体积较大，如果将6个IGBT开关管、驱动电路、电流检测电路等单独封装在一起，见图2-2右图，即组成常见的IPM模块。
说明：图2-2左图中，控制电路使用的集成块为东芝公司生产的微处理器，型号为TMG88CH40MG；驱动电路使用的集成块为IR公司生产，型号为2136S，功能是3相桥式驱动器，用于驱动6个IGBT开关管。
（3）IGBT开关管
模块内部开关管方框简图见图2-3，实物图见图2-4。模块最核心的部件是IGBT开关管，压缩机有3个接线端子，模块需要3组独立的桥式电路，每组桥式电路由上桥和下桥组成，因此模块内部共设有6个IGBT开关管，分别称为U相上桥（U+）和下桥（U-）、V相上桥（V+）和下桥（V-）、W相上桥（W+）和下桥（W-），由于工作时需要通过较大的电流，6个IGBT开关管固定在面积较大的散热片上面。
图2-3 内部开关管方框简图
图2-4中IGBT开关管的型号为东芝GT20J321，为绝缘栅双极型晶体管，共有3个引脚，从左到右依旧为G（门极）、C（集电极或称为漏极D）、E（发射极或称为源极S），内部C极和E极并联有续流二极管。
图2-4 IGBT开关管
室外机CPU（或控制电路）输出的6路信号（弱电），经驱动电路放大后接6个IGBT开关管的门极，3个上桥的集电极接直流300V的正极P端子，3个下桥的发射极接直流300V的负极N端子，3个上桥的发射极和3个下桥的集电极相通为中点输出，分别为U、V、W接压缩机线圈。
（4）IPM模块
严格意义的IPM模块见图2-5，是一种智能的模块，将IGBT连同驱动电路和多种保护电路封装在同一个模块内，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，才能组成模块板组件。
图2-5 IPM模块
2．工作原理
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。
三相交流电压越高，压缩机转速及输出功率也越高（即制冷效果越好）；反之，三相交流电压越低，压缩机转速及输出功率也就越低（即制冷效果越差）。三相交流电压的高低由室外机CPU输出的6路信号决定。
3．安装位置
由于模块工作时会产生很高的热量，因此设有面积较大的铝制散热片，并固定在上面，见图2-6，模块设计在室外机电控盒里侧，室外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2-6 模块安装位置
二、模块输入与输出电路
图2-7为模块输入与输出电路框图；图2-8为实物图。
图2-7 模块输入与输出电路框图
图2-8 模块输入和输出电路实物图
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。
1．输入部分
①P、N：由滤波电容提供直流300V电压，为模块内部的IGBT开关管供电，其中P端外接滤波电容正极，内接上桥3个IGBT开关管的集电极；N端外接滤波电容负极，内接下桥3个IGBT开关管的发射极。
②15V：由开关电源电路提供，为模块内部控制电路供电。
③6路信号：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：即上桥与下桥IGBT开关管的中点，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、过电流、短路、15V电压低4种故障时，输出保护信号至室外机CPU。
三、常见模块形式与特点
国产变频空调器从问世到现在大约有20年的时间，在此期间出现了许多改进的机型。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
代表产品有海信KFR-4001GW/BP、海信KFR-3501GW/BP等机型，模块实物外形见图2-9，此类模块多见于早期的交流变频空调器。
图2-9 只有模块功能的模块
使用光耦合器传递6路信号，直流15V电压由室外机主板提供（分为单路15V供电和4路15V供电两种）。
模块常见型号为三菱PM20CTM060，可以称其为第二代模块，最大负载电流20A，最高工作电压600V，带有铝制散热片，目前已经停产。
2．带开关电源电路的模块
代表产品有海信KFR-2601GW/BP、美的KFR-26GW/BPY-R等机型，模块实物外形见图2-10，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。
图2-10 带开关电源电路的模块
模块板增加开关电源电路，二次绕组输出4路直流15V和1路直流12V两种电压，直流15V电压直接供给模块内部的控制电路，直流12V电压输出至室外机主板7805稳压块的①脚输入端，为室外机主板提供5V电压，室外机主板则不再设计开关电源电路。
模块常见型号同样为三菱PM20CTM060，由于此类模块已停产，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，使用东芝或三洋的模块，东芝型号为IPMPIG20J503L。
3．集成CPU控制电路的模块
代表产品有海信KFR-26GW/18BP等机型，模块实物外形见图2-11，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2-11 集成CPU控制功能的模块
模块板集成CPU控制电路，室外机电控系统的弱电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和弱电信号电路供电）电压，以及传递通信信号、驱动继电器等功能。
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。与使用三菱PM20CTM060系列模块相比，有着本质的区别。首先是6路信号为直接驱动，中间不再需要光耦合器，这也为集成CPU提供了必要的条件；其次是成本较低，通常为非铝制散热片；再次是模块内部控制电路使用单电源直流15V供电；最后是内部可以集成电流检测元器件，与外围元器件电路即可组成电流检测电路。
4．控制电路一体化的模块
代表产品有格力KFR-35GW/（32556）FNDe-3、三菱重工KFR-35GW/AIBP等机型，模块实物外形见图2-12，此类模块多见于目前生产的交流变频空调器、直流变频空调器与全直流变频空调器，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2-12 控制电路和模块一体化的模块
模块、室外机CPU控制电路、弱电信号处理电路、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，只需要配上传感器、滤波电感等少量外围元器件即可以组成室外机电控系统。
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，因此在出现故障后维修时也是最简单的一类空调器。
四、硬件电路区别
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），即可以驱动直流变频压缩机。模块板硬件方面有以下几种区别。
1．模块板增加位置检测电路
如仙童FSBB15CH60模块，在海信KFR-28GW/39MBP交流变频空调器中，见图2-13，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2-14，基板上增加位置检测电路，驱动直流变频压缩机。
图2-13 海信KFR-28GW/39MBP模块正面和反面
图2-14 海信KFR-33GW/25MZBP模块板正面和反面
2．模块板双CPU控制电路
如三洋STK621-031（041）模块，在海信KFR-26GW/18BP交流变频空调器中，见图2-15，驱动交流变频压缩机；而在海信KFR-32GW/27ZBP中，见图2-16，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。
图2-15 海信KFR-26GW/18BP模块板正面和反面
图2-16 海信KFR-32GW/27ZBP模块板正面和反面
3．双主板双CPU设计电路
目前常用的一种设计形式是设有室外机主板和模块板，见图2-17和图2-18，每块电路板上面均设计有CPU，室外机主板为主控CPU，作用是采集温度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2-17 海信KFR-26GW/08FZBPC（a）室外机主板
图2-18 海信KFR-26GW/08FZBPC（a）模块板
五、模块测量方法
无论任何类型的模块使用万用表测量时，内部控制电路工作是否正常均不能判断，只能对内部6个开关管做简单的检测。
从图2-3所示的模块内部IGBT开关管方框简图可知，万用表显示值实际为IGBT开关管并联6个续流二极管的测量结果，因此应选择二极管档，且P、N、U、V、W端子之间应符合二极管的特性。
各个空调器的模块测量方法基本相同，本小节以测量海信KFR-26GW/11BP交流变频空调器使用的模块为例（实物外形见图2-19），介绍模块测量方法。
图2-19 模块接线端子
1．测量P、N端子
相当于D1和D2（或D3和D4、D5和D6）串联。
红表笔接P，黑表笔接N，为反向测量，见图2-20左图，结果为无穷大。
图2-20 测量P、N端子
红表笔接N，黑表笔接P，为正向测量，见图2-20右图，结果为817mV。
如果正反向测量结果均为无穷大，为模块P、N端子开路；如果正反向测量结果均接近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。
红表笔接P，黑表笔接U、V、W，为反向测量，测量结果见图2-21，3次结果相同，应均为无穷大。
图2-21 反向测量P与U、V、W端子
红表笔接U、V、W，黑表笔接P，为正向测量，测量过程见图2-22，3次结果相同，应均为450mV。
图2-22 正向测量P与U、V、W端子
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。
3．测量N与U、V、W端子
相当于测量D2、D4、D6。
红表笔接N，黑表笔接U、V、W，为正向测量，测量结果见图2-23，3次结果相同，应均为451mV。
图2-23 正向测量N与U、V、W端子
红表笔接U、V、W，黑表笔接N，为反向测量，测量结果见图2-24，3次结果相同，应均为无穷大。
图2-24 反向测量N与U、V、W端子
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
测量结果见图2-25，由于模块内部无任何连接，U、V、W端子之间无论正反向测量，结果相同应均为无穷大。
图2-25 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之间击穿损坏的情况较少。
5．测量说明
①测量时应将模块上的P、N端子滤波电容供电，U、V、W压缩机线圈共5个端子的引线全部拔下。如测量目前室外机电控系统中模块一体化的主板，见图2-26，通常未设单独的P、N、U、V、W，则测量模块时需要断开空调器电源，并将滤波电容放电至直流0V，其正极相当于P端，负极相当于N端，再拔下压缩机线圈的对接插头，3根引线即为U、V、W端。
图2-26 模块的5个端子
②上述测量方法使用数字式万用表。如果使用指针式万用表，选择R×1k档，测量时红、黑表笔所接端子与上述方法相反，得出的规律才会一致。
③不同的模块、不同的万用表正向测量时得出结果数值会不相同，但一定要符合内部6个续流二极管连接特点所组成的规律。同一模块同一万用表正向测量P端与U、V、W端或N端与U、V、W端时，结果数值应相同。
④P、N端子正向测量得出的结果数值应大于P端与U、V、W端或N端与U、V、W端得出的数值。
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）端子击穿，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，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，也只能更换整个模块板组件。