本文主要介绍风机驱动模块TPD4204F在美的三代直流变频空调KER -35W/BP3N1-(RX24Tmin+6A161+IKCM15L6OGA+TPD420X ).D.13.WP2- 1外机变频板上的控制原理，以及实际应用分析，并通过多个案例探索其检修思路，为空调维保、售后同行、从业者等提供维修参考，以提高检修效率。
0、引言
三线直流风机驱动方式主要通过外置的驱动模块依据CPU发出PWM方波的时序来控制内部6路的IGBT管工作，实现风机的运转，而目前的驱动模块制造厂家较多，本文主要探讨近年，上市的体积小巧、应用广泛的TPD4204F模块，通过其原理、应用与检修等介绍，可进一步了解当前主流外风机驱动模块的发展趋势，为变频板设计、维修等提供参考。
1、三线直流风机特点
一级能效比的变频空调室外风机一般采用直流电动机(以下结合制冷维修行业特点俗称为直流电机)，早期的直流无刷电机通常为五线，把驱动控制电路板放置于电机内部，电机采购成本相对较高，体积变大;而近年，尤其国产品牌的变频空调大部分使用三线直流无刷电机，电机内部仅保留转子、定子部分，把驱动部分放置在外机板中，这样有利于散热，提高耐用性，而且降低电机单一产品采购成本。目前室外风机的电机大部分为塑封结构，有利于防水、防潮、防锈等，结构轻盈，运转性能良好。
例如，美的某款直流变频壁挂式空调，室外风机采用塑封电机结构(如图1所示)，是威灵电机制造有限公司生产，属于美的的配套厂家，型号为WZDK20-38G-W(RDN-310-20-8)，其主要指标:DC310V;功率20W;额定运行电流为0.1A;绝缘等级为E级，耐温达到120°C;采用8极的磁极数;转速850r/min;三线(U、V、W)驱动设计。该款直流电机，三线(U、V、W )两两相互之间的阻值均为103Ω， 由于采用塑封结构，仅内部转子前后轴承位置采用少量钣金作为支撑与固定，有效避免潜在漏电，提高绝缘性能等安全问题。
2、直流风机驱动方式
直流风机由于内部三个绕组阻值一致， 所以其外机变频板驱动方式一般采用交-直-交模式来工作。首先，输入的AC220V交流电作为电源;其次，通过整流桥、滤波电容变为平滑的DC310V直流电;最后，把直流电送到风机驱动模块(如，本例中的TPD4204F)，通过外部CPU和模块内部的控制电路、六只IGBT功率管等，依据一定的控制时序，产生近似的三相正弦波来驱动直流电机的工作。
3、直流风机驱动模块
直流风机的驱动模块使用的品牌、型号较多，本文主要以美的直流变频空调KFR -35W/BP3N1 -( RX24Tmin +6A161 +IKCM15L60GA +TPD420X ).D.13.WP2-1外机变频板为载体进行介绍。
该外机变频板使用的是TPD4204F风机驱动模块，如图2所示。该模块属于TOSHIBA公司较新的产品，采用更薄和小型化封装，有利于外机PCB电路板的设计与优化器件布局等。
3.1模块TPD4204F的特点
风机驱动模块TPD4204F的特点如下:(1)高压电源侧和低压信号侧是分开的，减少干扰与发生故障时更多的串扰影响。(2)内置自举二极管、限流电阻，取缔外置的布局方式，使PCB板外部器件布局更简洁。
(3)内置了包括过电流、欠电压保护以及过热停机等电路。(4)内置7V基准稳压电源，供给各电路，以减少外围电路的电源布局。(5 )该模块为贴片双(两)侧安装型30引脚封装。(6)该模块后级IGBT管电源最大承压达到600V;前级电路电源最大为18V;IGBT管输出最大电流可以达到2.5A;在脉冲100us内最大瞬间电流为3.75A。
3.2模块TPD4204F内部框图
风机驱动控制模块TPD4204F的内部框图如图3所示。
4、直流风机控制原理
4.1直流风机控制电路直流风机控制电路实物图如图4所示，原理图如图5所示。
4.2直流风机控制原理
(1)模块供电电路
TPD4204F风机驱动模块要工作，需要两路电源，一路是提供给后级IGBT管供电的电源，来源于整流、滤波后的+310V，加到VBB的23、24引脚;另一路是风机模块工作必须要给其前级电路、驱动级电路供电，电源电压为+15V，送到vCC的5脚。为了对模块进行保护以防突发的高电压击穿损坏模块，以及其他电路元件等，在模块旁vCC引脚处并接了一只20V的稳压管DZ501;同时由于开关电源输出的+15V与风机模块vCC端有一定距离，为了确保电力充沛以及滤除线路中的高频干扰，在vCC引脚端也并接了电解电容E501及高频滤波电容C501。
当VCC电源降至TPD4204F风机驱动模块内部设定的11V(典型值)时，MOS管输出关闭，该保护功能具有滞后性。当vCC电源达到比关断电压高0.5V时，模块被自动恢复，并且MOS管通过输入再次导通。
(2)模块自举升压电路
如图3所示，模块内有六只IGBT功率管，当.上桥臂的三只IGBT管依据时序工作时，由于U、V、W三相接的是电机的线圈，导致某个时刻源极电位比较高，因此，栅极的电压最高仅有15V，所以没办法使IGBT管工作。因此，电子工程中常常采用自举升压原理来抬高电压以满足上桥臂的三颗IGBT管能达到工作条件，它往往通过自举升压二极管、限流电阻、自举电容组成。图5中，E502-E504三只电解电容为自举电容，其负极分别接在U、V、W输出线上，而正极通过自举二极管接到+15V供电上，当某一相的上桥IGBT管需要工作时，会自动把栅极电压进行抬升，这样该IGBT管就能顺利工作。
在实际检修过程中，经常发现上述三路自举电路中其中一路因自举二极管、自举电容等损坏造成自举升压不足，导致该路IGBT不工作，这样直流电机也就不运转，空调报“E7"故障代码(直流外风机保护)，久而久之也容易损坏风机驱动模块TPD4204F。
(3)六路驱动电路
如图3、图5所示，风机驱动模块内部的六只IGBT管的栅极要得到驱动信号触发才能使该管工作，而这触发的信号来源于检测压缩机转子位置信息后CPU( RX24T )通过算法实现的，从而输出具有一定时序的六路驱动脉冲，经过电阻R503、R504、R506~R509以及电容C507~C510组成RC滤波电路，然后送入到模块的10~15脚，再通过模块内部电路放大、驱动等实现电机的正常运转。
在实际检修过程中这六路驱动信号由于个别电阻阻值变大造成信号没法完整传输，六路驱动信号有缺失，从而导致风机不运转也会报“E7"故障代码，也容易损坏风机驱动模块TPD4204F。
(4)相电流保护电路
相电流保护电路在维修中也称为硬件保护电路，如图5所示，主要由电流采样电阻R501、R502及电容C503组合的RC吸收电路搭建而成。当外风机正常运行时，电流比较小，通过采样电阻R501后得到的电压也较低，送到TPD4204F模块的9脚(RS)，为低电平(小于0.5V)，这时模块的4脚(DIAG)为高电平5V。如果因直流外风机过载短路等导致电流变大 ，采样电阻 R501检测到的电压也变高;如果送到模块9脚(RS)的电压达到0.5V ，模块内部六只IGBT管会停止工作，外风机不运转并使模块的4脚(DIAG)电压被拉低，为低电平，此时CPU的24脚也为低电平，因此会停止六路驱动脉冲输出并报“E7”故障代码。
(5)转子位置检测电路
由于外风机使用的是无刷电机，要运转首先必须检测转子的位置，只有知道实时的转子位置信息，CPU才能通过算法决定输出六路驱动脉冲的时序，从而有效地控制直流外风机的工作。如图5所示，该板的转子位置检测电路比较简单，通过两只电阻R512、R513分压后， -端连接到电机电流采样电阻R501，另一端连接到CPU的55脚，由于输出的电压较低，电流较小，波形难以捕捉，CPU也难以识别，因此电路中利用电阻R512、R513分压以抬高直流电位，这样便于CPU识别，从而实现程序算法的良好逻辑控制等。
5、直流风机控制电路常见故障
例1:一台美的KFR-35W/BP3N1全直流变频空调，压缩机短暂运转，外风机偶尔动一下，报“E7"故障代码。分析检修:外机板接上检测仪后上电启动，压缩机运转，直流外风机偶尔动一下，一会后检测仪报“E7”故障代码(直流外风机保护)，压缩机停转。参考图5，首先，测量风机TPD4204F驱动模块没有击穿、短路以及检查线路板也没有发现腐蚀现象;其次，检测+310V、+15V电压，正常;最后，测量转子位置检测电路CPU的55脚电压为4.88V，明显不正常(正常应该是两只电阻的分压值2.5V左右)，电压异常使CPU没法检测到风机转子位置信息，所以无法送出六路驱动脉冲，造成外风机不运转，并报“E7"故障代码。
通过细查，发现电阻R513阻值由3.3kΩ变成2.2MΩ，从而导致电阻R512与R513分压值为4.88V(太高了)，所以无法识别转子的位置信息。更换电阻R513(3.3kΩ)后，故障排除。
例2:一台美的KFR-35W/BP3N1全直流变频空调，压缩机短暂运转，外风机无反应，报“E7”故障代码。分析检修:外机板接上检测仪后上电启动，压缩机运转，直流外风机无反应，一会后检测仪报“E7” 故障代码，压缩机停转。参考图5，检测TPD4204F风机驱动模块，没发现击穿等异常;上电测量+310V、+15V供电，正常;RS 硬件保护为低电平，也正常。当检测到DIAG保护输出脚为低电平时，明显不正常，按理RS端口为低电平时，DIAG引脚应该高电平才对，当然排除了模块温度、过流保护等因素候，就可以判断是模块坏了。进行断电及放电后，测量CPU的24引脚与地阻值，不正常，CPU既然能控制压缩机工作，估计损坏几率不大，而与CPU的24引脚有关联的还有贴片电容C513。把该贴片电容取下后再次上电启动，居然外风机正常运转，经过测量发现该电容有漏电现象。
更换贴片电容C513( 1nF )后试机，故障排除。上门检修应急情况时， 该电容可以不安装，但是在电源质量差、干扰大时容易导致误动作。
例3:一台美的KFR-35W/BP3N1全直流变频空调，压缩机短暂运转，外风机偶尔转一下，报“E7”故障代码。分析检修:外机板接上检测仪后上电启动，压缩机运转，直流外风机偶尔转一下，一会后检测仪报“E7”故障代码，压缩机停转。参考图5，测量TPD4204F风机驱动模块正常，供模块的+310V、+15V电源正常，RS硬件保护为低电平，DIAG保护输出引脚为4.97V，从目前测量情况来看，模块没有问题。再测量CPU发送端的6路pWM脉冲波形正常，但是测量TPD4204F模块端发现有一路没有波形，也没发现线路腐蚀断线情况。 用万用表电阻挡测量六路驱动电阻时，发现R509的阻值由正常的1002变成了2MΩ，基本可看作开路，所以导致六路驱动的PWM脉冲因有-路缺失，出现电机偶尔转一下的现象，如果在7s~10s左右仍没有检测到风机转子的位置信息，压缩机会停转，检测仪也会报“E7"故障代码。更换电阻R509( 100Ω)后，故障排除。
例4:一台美的KFR-35W/BP3N1全直流变频空调，压缩机短暂运转，外风机不运转，报“E7”故障代码。分析检修:外机板接上检测仪后上电启动，压缩机运转，直流外风机不运转，一会后检测仪报“E7”故障代码，压缩机停转。参考图3、图5，在未接外风机时，上电测量TPD4204F模块U、V、W输出的直流电压，U相与地为173V，V相为339V，W相为16V，仅有W相正常，而U、V这两相估计有内部器件击穿导致电压变高。断电、放电后使用二极管挡测量，U相下桥臂的IGBT管压降为1.25V而正常应该在0.42V;测量V相上桥臂IG-BT管压降为oV ，明显该管已经击穿，所以导致直流母线电压直接加到V相造，成有339V电压。
检查TPD4204F风机模块的外围电路、元件，都没有问题，换用一块全新的模块后，故障排除。
例5:一台美的KFR-35W/BP3N1全直流变频空调，压缩机短暂运转，外风机不工作，屡损风机驱动模块，报“E7”故障代码。分析检修:外机板接上检测仪后上电启动，压缩机运转，直流外风机不工作，检测仪报“E7"故障代码，压缩机停转。参考图5，经过测量外风机驱动模块TPD4204F已经击穿损坏，而且有很大的烧焦味，查找外围电路(电压、六路驱动、三路自举、相电流保护)没有发现问题;检测三线直流外风机任意两相线之间的绕组阻值为103Ω正常。换用全新的风机驱动模块TPD4204F，上电启动模块马上冒烟，以为模块质量问题又重新换用一块，还是击穿短路冒烟，故障依旧。这时不得不慎重检查，但各引脚及外围电路没发现异常，陷入维修瓶颈。后来沉下心继续查找，发现风机驱动模块的采样电阻R501阻值变小，由1.2Ω变成了0.2Ω左右导致相电流变大造成风机驱动模块TPD4204F冒烟损坏。
更换电阻R501 (1.2Ω/3W 的贴片电阻)和TPD4204F模块后，上电开机，外风机运转正常，故障排除。
6、结论
本文主要探讨TPD4204F风机驱动模块在美的三代直流变频空调KFR -35W/BP3N1 -(RX24Tmin+6A161+IKCM15L60GATPD420X).D.13.WP2-1外机变频板上的控制原理与应用，涉及到欠压、过流过热保护都会使直流外风机不运转，而且报“E7”故障代码，通过对这些案例的分析，拓宽了检修思路，解决了直流外风机单元电路高效快修问题。
网友评论