美的KFR-26W/BP3N1-L1813 外机变频板,在2015年左右被大量应用在美的直流变频空调中,近年逐步进入到维修高峰期。维修中发现,该板故障率较大,如果更换全新板价格高且不好购买,而换用美的三代通用板则会出现与有些压缩机匹配不良,易造成压缩机噪声大、发热大、性能衰减等现象。笔者就多块该板的维修,总结了一些心得,与同行分享,希望大家少走弯路,一起耕耘空调维修的大市场,以提高检修的速度与质量。
本文将以美的KFR -26W/BP3N1-L1813(V850-1243-DCAC -ZG).D.13.WP1.1型外接变频板为例进行介绍(使用三菱瑞萨V850系列MCU,维修业一般称为CPU,本文通称为CPU),该型机压缩机驱动模块使用三肯SCM1243MF ,外风机是三线直流风机,其驱动模块常用东芝TPD4135K。
一、外机变频板简介
1.接口
该变频板采用双面印刷电路设计,元件安装、走线较为紧凑,为了便于分析先介绍该板的各接线端口位置及功能,如图1所示。
2.元件
(1)CPU
外机板CPU如图2所示,使用三菱瑞萨V850系列的uPD70F3451GC,是一颗32位高性能MCU,采用V850E1的CPU内核,基于RISC架构,几乎所有指令的执行都可在一个时钟周期内完成,支持乘法、饱和运算、位操作等指令,厂家对其各引脚定义如图2所示。
(2)直流压缩机驱动模块
该模块型号为SCM1243MF ,额定输出电流为15A,搭配在以V850E1为CPU内核方案的板子中,其电流输出更大的型号还有sCM1245MF( 20A )、SCM1246MF( 30A)。
模块内部框图如图3所示,该模块具有以下特点:
1)每相有一套完整的、独立的内部电源、前置驱动、后级驱动、故障保护、自举升压等电路组成,不会与其他相有相互干扰的现象,稳定性较高。
2)每相内置自举二极管、2202的限流电阻器以及通过在HS1、VB1引脚(以U相为例)外置升压电容,来组成自举升压电路,确保后级的IGBT驱动管在上桥时序时能正常工作,同时通过内置自举二极管能有效提高其稳定性。
3)该模块分为两组供电:一组确保内部电路正常工作的供电,俗称“低压供电”,其正常供电电压为DC15V,在DC13.5V~DC16.5V范围内能正常工作;另一组是IGBT电源,其范围为DC300V~DC400V。
4) 该模块有以下完善的保护电路:
电源欠压保护:当模块的供电低至DC11V时,触发模块电源欠压保护功能,模块实施输出锁止,防止欠压下工作导致内部IGBT等元件损坏;当模块供电上升至DC 11.5V时自动解除欠压保护,恢复正常工作。
过电流保护:通过驱动模块LS1、LS2、LS3引脚外接毫欧级无感电阻来检测电流,再输入至模块的OCP1脚(以U相为例),通过其内部电路处理后接至其芯片内的MOS管栅极,如果因压缩机绕组、模块短路等导致电流过大,一旦OCP1脚检测到电压达到0.5V,从而触发MOS管工作(漏、源极导通),FO1端的高电平被拉低,而该脚外接CPU,所以CPU会停止输出6路驱动信号,进入过流保护状态,并通过内机显示屏报故障代码,例如:格力空调报"H5"故障代码,美的空调报“PO"或“P41”或“P49"故障代码。
过热保护:驱动模块内置了TSD模块温度检测电路,因功率增加或热交换问题等引起过载的(检测模块温度达到150°C),TSD模块电路就会被激活,模块内的MOS管工作(漏、源极导通),F01脚输出的高电平被拉低,从而使CPU对应引脚输出低电平,CPU不输出6路驱动信号,进入保护模式并报“PO"或"P49"或“L3”等故障代码。
(3)直流风机驱动模块
由于是直流变频空调,所以采用了能效更高的直流外风机设计。该直流外风机使用了东芝的TPD4135K驱动模块,该模块额定输出电流为3A,其内部框图如图4所示,并具有以下特点:
1)该模块采用芯片内部自举二极管及限流电阻设置,仅需在其外部BSU、BSV、BSW脚与U、V、W间接上10pF/50V的电容,就可完成服务上桥臂的自举升压电路的供电问题。
2)该模块自带DC7V电源输出,为保护电路DIAG引脚设置了上拉电阻供电。
3)该模块同样具有欠压、过流、过热保护功能,保护形式与压缩机驱动模块相似,此处不再赘述。
(4)开关电源模块
采用荷兰帕沃英蒂格盛的TNY279PN模块,该模块功率18W,由于内部高度集成了复杂的电子电路,所以其外部接口电路简单,具有应用便捷的特点。该模块使用6年左右会经常出现输出电压低、发烫故障,主要是模块性能老化所致,更换该模块即可,也可以使用相邻规格的同系列模块替换,例如,可以使用TNY278PN(16W )或TNY280PN( 20W )替换。
1.电源输入电路
电源输入电路原理如图5所示,对应的实物元件位置如图6所示。
(1)防雷过压保护
该变频板的棕色线接L,蓝色线接N,输入市电AC220V电源,为外机变频板的正常工作提供电源保障。如果因雷击浪涌等有外部瞬间高电压输入时,为了避免高电压进入变频板对后续电路破坏,在电源的输入端设置了保护电路,如图5所示,采用ZNR621的压敏电阻+保险管以及ZNR621压敏电阻+DSA放电管来进行防护。该板子采用的压敏电阻型号为E11621,其基本规格参数如表1所示,E11621压敏电阻标称压敏电压值在1mA电流时为620VDC,应用在交流电路压敏值为385V,直流电路为505V。
当外来输入电压的峰值达到额定压敏值时,在极短的时间内压敏电阻会击穿短路,例如在火线L窜入高电压,此时压敏电阻ZR1瞬间击穿短路,保险管FUSE1达到保护电流值后马上熔断,避免高压从火线进入电路中造成破坏;如果在零线N窜入高电压,ZR2达到额定压敏值也会瞬间击穿短路,此时通过DSA放电管把高电荷泄放到地,从而避免高压进入电路中对电路及元件的破坏等,以保护外机变频板。
2.整流滤波与PFC电路
整流滤波与PFC电路原理如图7所示,整流滤波实物如图8所示,PFC电路实物如图9所示。
整流滤波与PFC电路原理:AC220V电源通过EMI滤波净化电源后接至整流桥,把交流电转变为直流电,通过电抗器L、续流二极管D8,以及滤波电容E9、E10、C50进行滤波,把脉动的直流电变为较平滑的直流电,为变频板压缩机功率驱动模块、直流风机驱动模块供电。
3.开关电源电路
开关电源电路原理如图10所示,对应的实物元件位置如图11所示。
(1)工作原理
4.直流母线电压检测电路
直流母线电压检测电路原理如图12所示,对应实物元件位置如图13所示。
+P接滤波电容E9、E10的正极,通过电阻R64、R75分压后送至CPU的③脚,用于实时检测直流母线电压的高低,若电压过低分压值过小就会报低电压保护(“P10”或“P12”故障码);如果分压值过高,为保护元件也会报高电压保护("P11”或“P12”故障码)。
5.过零检测电路
过零检测电路原理如图14所示,对应的实物元件位置如图15所示。
由于整流后滤波前,是脉动的直流电,通过过零点采集得到过零信号,为CPU控制PFC和室外交流风机提供零点参考。可能有读者会问,这板子不是直流风机吗为什么还要过零信号,其实这板子是具有交、直流风机接口,在印刷电路板上都有预留,只是L1813这型号仅适用直流风机而已。
6.温度传感器电路
温度传感器电路原理如图16、图17所示,对应的实物元件位置如图18所示。由于图16和图17原理图一样,此处仅对图16进行分析。
在接插口CN22(红、黑线)接上一颗50K的排气管温度传感器,而接插口连接的PCB板中黑线接+5V,红线接分压电阻R69,再经电阻R67后接至CPU的19脚。把此传感器放置在压缩机的排气管旁,通过检测排气温度后,TP的阻值会随着温度的变化而变化,由于TP是负温度系数热敏电阻,当排气温度升高时其阻值会变小,这样与电阻R69分压后从电阻R67输送至CPU的19脚电压会变高,当达到一定极限保护电压时就会报E54等故障码,同时压缩机也会实施保护停机。
7.复位电路
复位电路原理如图19所示,对应的实物元件位置如图20所示。
为了确保CPU能正常工作,往往需要在启动前对CPU进行清零复位工作。本复位电路采用AZ7042Z复位三极管配合C200电容组成复位电路,外机板子刚在上电时, CPU的35引脚为低电平,一会后变为高电平,采用低电平复位方式。在实际检修中经常遇到C200电容漏电,导致CPU的脚电压偏低,CPU不工作,红色的LED指示灯熄灭。
8.晶振电路
晶振电路原理如图21所示。晶振也称为晶体振荡器,是给CPU提供时钟信号。本外机板CPU振荡频率为8.0MHz,在实际检修中晶振因受到冲击内部晶体碎裂的情况为多见,而其自然老化的情况少见,建议更换晶振时最好参照原频率的数值进行替换,以确保CPU工作的稳定性。CPUI作时实测晶振两引脚电压约为0.7V左右。
9.整机电流检测
整机电流检测原理如图22所示,对应的实物元件位置如图23所示。
通过在无感水泥电阻R34的上端并接电阻R25,上拉电阻R24后接至CPU的⑥脚。当外机板.上电未启动时,测量CPU的⑥脚的电压为0.5V,外机启动运转后此电压会随着工作电流变大电压变低,当低至接近0V(母线电流约为28A)时整机过电流保护并报P8故障码。
10.PFC电流检测
PFC电流检测电路原理如图24所示,对应的实物元件位置如图25所示。
工作原理:当外机正常运行时,直流母线的电流在28A以内,所以U1(2903)比较器的⑤脚电压大于⑥脚(7.5V )电压,比较器的⑦脚为高电平,也就是CPU的70脚为高电平,而比较器的③脚大于②脚电压,所以①脚输出高阻抗,此时,CPU的69脚依据要求继续发送不同占空比的方波PFC脉冲,通过IC7(S4427)放大、驱动IGBT管S1工作,实现PFC升压与功率因数调整工作。
压缩机驱动与相电流检测电路如图26所示,对应的实物元件位置如图27所示。
压缩机驱动原理:当CPU依据控制时序发出6路驱动信号时,通过电阻R94、R100、R102、R106、R108、R110接至对应的IPM模块的21、19、11、⑤、③引脚,用以控制IPM模块内的6路IGBT功率管工作,而为了让上桥臂的3颗功率管也能正常工作,在电路中专门设置了3路自举升压电路,以确保在上桥工作时能正常实现驱动。当6路驱动方波脉冲占空比大时控制内部功率管工作时间长,压缩机转速高;而占空比变小时,内部的功率管工作时间短,压缩机转速变慢。该驱动模块需要提供+310V和+15V电压。
风机驱动与相电流检测电路如图28所示。
风机驱动对应的实物元件位置如图29所示。
压缩机驱动原理:当CPU发出6路方波驱动脉冲时,通过电阻R132、R128、R122、R131、R126、R120后,连接至风机驱动模块TPK4135K(IC5 )的④⑨脚,风机模块通过内部的6只功率管依据一定的时序来驱动外风机运转。为了使上桥臂工作时能顺利驱动功率管,该板设置了自举升压电路。该模块工作电压为+15V和+310V。
相电流保护原理:当无感电阻R51、R48、R49检测到流过的电流超过0.2A时,就会触发其内部的过电流保护模块,详见图4,从而使IC5 11脚(DIAG)由高电平瞬间拉低为低电平,导致CPU的29脚也为低电平并启动保护程序,不再发出6路方波驱动脉冲。
转子位置检测原理:庄于风机采用的是无刷直流电机,启动前、运转后一定会先检测转子位置,以便实现6路的驱动控制。本电路采用检测两相位置信号反馈到CPU,一路通过电阻R38后接至CPU 14脚,另一路通过电阻 R26接至CPU 15脚,为CPU提供转子位置信息,实现良好的变频控制。
13.外机板通讯电路外机板通讯电路原理如图30所示,对应的实物元件位置如图31所示。
通讯电路,行业内也称为通信电路,采用的是半双工的通讯模式,发送的是高低电平的脉冲信号,可以实现内机发送外机接收 ,或者外机发送 、内机接收,任意时刻只能单向工作,本文只绘制了外机板的通讯原理图,其工作原理如下:
内机给外机发送高电平原理:当内机给外机发送高电平时,通过零线N到光耦IC1(TLP816)的初级,经光耦IC2(PC851)的次级(初级是工作状态),再通过电阻R14限流、二极管D2后接到通讯线S,形成一个闭合的电流环路,由于IC1的初级导通使其次级也导通,+5V电压通过限流电阻R2后接至CPU 48脚,也就是接收到一个高电平,内机送高电平,外机接收到高电平。
内机给外机发送低电平原理:当内机给外机发送低电平时,由于内机的电流环路不通,也就是零线N与通讯线S不通,这样IC1初级不导通,次级也不导通,此时外机CPU⑧脚接收端为低电平,也就是内机送出低电平,外机接收到也是低电平。
外机给内机发送高电平原理:CPU 49脚发出高电平时,经电阻R18后,使三极管Q1导通,由于零线N与通讯环路是通的,所以+5V通过IC1、R16、IC2、Q1接地,使IC2次级导通,这样内机也会得到一个高电平。
外机给内机发送低电平原理:CPU 49脚发出低电平,三极管Q1不导通,IC2不工作,外机通讯环路断开,这样内机也只能接收到低电平。
三、外机变频板典型故障检修
例1:美的KFR-26W/BP3N1-I1813直流变频空调,外机变频板上电没反应。分析检修:电路原理图如图5所示,给外机变频板L.N上电,LED红色指示灯不亮,继电器不吸合,整块外机板没反应。首先,目测整块板没有炸毁、烧焦痕迹,测量保险管FUSE1和压敏电阻正常;其次,上电测量共模安规电容C17和C9两端有AC220V,而测量PTC后端(A和B点)无AC220V,说明PTC有问题,用手摸外表没有发烫,但是摇动外机板发现PTC内部有碎片的声音;最后,确诊PTC碎裂导致L、N上电不导通,后续的开关电源没有AC220V输入,所以整块板没有反应。
更换PTC后故障排除(如果本例连接了内机板还会在内机显示面板上报“E1”通讯故障)。
例2:美的KFR-26W/BP3N1-L1813 直流变频空调,外机变频板上电,压缩机一转即停,风机运转正常,美的大黄检测仪报“P1”、“P10"和“L5”故障码。分析检修:报“P1”、“P10"和“L5"故障码,说明是电压过低问题。风机能正常运行,压缩机一转即停,表示大电流的负载没法带动,在压缩机启动瞬间测量直流母线电压仅为DC265V,明显过低,以为开关电源有问题,但经检测+15V、+12V、+5V电压均正常,也能听见上电后外机板电源继电器触头吸合声。滤波电容容量不足也会导致此问题,但检测后无异常。无意间触碰了PTC外壳,感觉烫手,这说明外机板继电器虽然有吸合声音,但是触头没闭合(没有接触),从而导致压缩机启动时需要大电流而PTC又无法满足,在启动瞬间拉低了母线电压,导致报电压过低故障。
更换品质较好的欧姆龙25A/DC12V外机板电源继电器后故障排除。另外,如果反相器2003有问题,也会导致此故障。
例3:美的KFR-26W/BP3N1-L1813直流变频空调,外机变频板不工作,IGBT管、整流桥炸分析检修:这是一块同行转修板,接到该板时发现IGBT管、整流桥已炸毁,同行说已更换过两只IGBT管了,不敢再修。为什么会屡烧IGBT管和整流桥呢?估计还有元件损坏导致短路,所以一上电就击穿短路。首先,把IGBT管周边的电阻、二极管查了一遍,没发现问题,而用万用表的电阻挡测量PFC驱动芯片IC7(S4427 )的⑤、⑦输出脚对地阻值仅为230Ω,明显不正常,正常应在19k左右。于是更换贴片S4427后,再装上新的IGBT管、25A整流桥以及0.02Ω水泥电阻后试机,故障排除。
提示:有些同行遇到PFC电路问题,为了快速维修以及减少元件投入成本,采用去除PFC电路方法,即使用剪线钳把IGBT管剪掉,人为割断PFC电路,虽然能用,但会导致无功功率增大、功率因数降低,空调整体耗电量变大,性能也大打折。
例4:美的KFR-26W/BP3N1-L1813 直流变频空调,外机不工作,检测仪报“P4"或“P43*故障。分析检修:使用美的大黄检测仪接上外机变频板,上电,压缩机、外风机不运转,LED红色指示灯频闪,检测仪报“P4"(表示压缩机反馈保护)或“P43"(表示压缩机缺相保护)故障。由于压缩机不运转肯定没有反馈信号,所以报“P4"或"P43”。
检修这类压缩机、外风机都不运转,但是测量压缩机驱动模块、外风机驱动模块没有损坏的板子就要注意,两者都不工作是否要考虑一个共性问题,就是给板子供电的电源,如图10所示,首先,测量直流母线电压DC310V正常;其次,测量开关电源三路输出电压,D6二极管端正常应该输出+12V,实际测量仅为+6.99V;D5二极管端正常输出电压为+20V ,实际测量为+12V;D1二极管端正常输出为+19V,实际测量为+11.4V,开关电漏输出的三路电压均明显偏低,导致压缩机、外风析驱动模块由于供电电压不足,所以不工作。
由于三路输出电压均偏低,初步估计开关变压器、电源管理芯片应该问题不大,更大的问题应该在采样稳压电路,测量TL431可控精密稳压漏正常。再测量采样电阻R45的阻值为10k,而正常时应为4.7k,明显偏大(由于该电阻阻值变大导致流过R29、R45的分压不正常),TL431两柘一直 导通,光耦EL816初级工作发出强光,次级导通,于是拉低了TNY279PN①脚电压,导致电漏管理芯片振荡频率变低发出占空比小的PWM肪冲,从而使其内部的开关管工作频率变低,开关电源整体输出电压肯定也变低。更换4.7k2的贴片电阻后故障排除。
例5:美的KFR - 26W/BP3N1-L1813直流变频空调,压缩机、外风机不运转,检测仪报“E1”故分析检修:使用美的大黄检测仪接上外机板不能启动压缩机、外风机,并报“E1"通信故障。图30所示,测量接收光耦TLP816的初级发光二极管的两端电压为0V,再测发射光耦PC851次经两端电压为稳定的+7.8V,明显不正常,正常时应均为跳变的电压。断电后测量光耦正常,当测量电阻R11时发现其阻值变为36Ω,而正常时应为12k,由于该电阻阻值变小导致大部分电流不经光耦PC851的初级,而从此电阻流过,因此光耦没办法正常发射光信号,导致通信电流环路N、S不通,所以检测仪与外机板没有通信,造成压缩机、外风机不工作,并报“E1”故障。
更换0603规格的12k贴片电阻后,上电测量接TLP816初级以及PC851的次级两端均有跳变电压,使用示波器测量外机板接收端波形如图32所示,发射端波形如图33所示,收发信号都正常,故障排除。
例6:美的KFR-26W/BP3N1-L1813直流变频空调,外风机运转,压缩机不工作,检测仪报"P0”故障。分析检修:使用美的大黄检测仪接上外机变频板,上电启动,外风机运转,压缩机不工作,外机板的LED红色指示灯频闪,而且检测仪报“P0"模块保护故障,见图26所示。首先,直流外风机能够运转说明开关电源输出电压应该没问题,实际测量+5V、+12V、+15V电压正常;其次,测量压缩机驱动模块F0 (F01~F03)引脚为高电平,说明不是过流保护;最后,重点查找模块以及模块的保护电路,测量模块的VCC (vCC1~VCC3)电源对地电阻值为9.06kΩ正常,VBB对地电阻为3.6MΩ正常,用二极管挡测量U、V、W与模块内部6只IGBT管的正反向电压正常,FO引脚对地电阻值为10kΩ也正常,说明模块基本没问题,估计问题在保护电路。
当测量电阻R114时其在线阻值为25kΩ,明显有问题,拆卸该电阻后测量阻值已经达到47kΩ,而正常时应该为2kΩ。由于该电阻的阻值变大导致模块内部没有接收到压缩机采样电流,模块内部实施保护,所以,美的大黄检测仪报"P0”故障码。更换0603规格的2kΩ贴片电阻后故障排除。
例7:美的KFR-26W/BP3N1-L1813直流变频空调,外风机运转,压缩机启动后振动很大,一会后检测仪报“P4”或“P46”故障,压缩机停转。分析检修:接上美的大黄检测仪,上电启动,外风机运转,压缩机能启动但是振动很大,一会后停转,LED红色故障指示灯频闪,并报“P4"(表示压缩机反馈保护)或“P46"(表示压缩机失速保护)故障。外风机能正常工作,说明+310V、+15V供电没问题,估计在压缩机驱动模块、自举升压及驱动电路。
首先,在线测量模块是否有击穿等现象,通过检测后一切正常;其次,上电检测三路自举+15V也正常;再次,检查CPU的6路驱动电路,如图26所示,测量电阻R110的阻值为47kΩ,而正常应该为100Ω,明显不正常,由于该电阻的阻值变大等同于该路的驱动信号开路,这样6路驱动信号变成5路,压缩机能启动但是由于不平衡导致振动过大,而且位置检测到部分信号缺失停转并报"P4"或"P46”故障。更换电阻R110为0603规格的100Ω后,故障排除。