數控設備驅動器的主電路保護分析與研究

雷 剛，郭 杰

LEI Gang, GUO Jie

（四川工程職業技術學院，德陽 618000）

0 引言

數控系統中，電源模塊及電機驅動模塊是非常重要的工作部件，但同時這兩種模塊也是數控設備中很容易被損壞的。筆者所在的四川省德陽市是國家重大技術裝備制造業基地，聚集了近萬臺各種各樣的數控設備。長期的工作實踐發現這兩種模塊的故障主要出在主電路上，例如西門子的611系列模塊、FUNAC的αi系列等。由于這些模塊的主電路通常使用大功率的IGBT作為主控元件，所以對于模塊的保護，主要通過并保護IGBT實現。筆者借鑒多款國外主流產品提出一種相對更成熟的IGBT驅動和保護電路設計，在實際應用中達到更有效保護IGBT的作用，降低驅動器的損壞率，增強數控系統的可靠性。

1 常見的IGBT模塊損壞原因

分析表明，IGBT模塊損壞的主要原因有：

1）負載短路引起短時間大電流，IGBT沒有及時關斷，溫度急劇上升，最終導致IGBT的C級和E級間短路失效或開路失效。

2）IGBT的控制柵極受到大幅值干擾脈沖沖擊，造成柵極損壞。

3）觸發信號上升沿和下降沿斜率較小，導致IGBT的開通和截止功耗增加，長時間運行，燒壞IGBT。

4）惡劣工作環境降低IGBT散熱效果，模塊溫度增加，導致性能下降和損壞。

2 IGBT驅動和保護電路的設計思路

針對實際出現的問題，在IGBT驅動和保護電路設計中，主要考慮以下五個方面：

1）針對負載短路引起大電流，最主要的解決方法是及時檢測到IGBT電流突然增大造成的VCE上升，進而迅速關斷IGBT。

2）每個IGBT模塊使用獨立的控制電源，盡量減少IGBT模塊柵極信號的干擾。

3）使用高速光耦和驅動芯片進行柵極信號處理，降低IGBT的開關損耗。

4）逆變橋上下臂控制信號互鎖，防止直流短路。

5）改進IGBT模塊溫度檢測、改善散熱處理。

3 IGBT驅動和保護電路硬件設計

1）驅動電路電源

在IGBT的驅動中，為保證驅動控制電路的可靠性，采用如圖1所示的供電模式。

圖1 驅動電源電路

通常在數控系統中，為保證各系統的同步性和協調性，一般都是用一個獨立的電源模塊向子模塊（比如：主軸模塊、伺服模塊、CPU模塊和顯示模塊）進行集中供電。但各功能模塊之間的控制電源又需要進行隔離，提高可靠性，為此采用脈沖電源的模式進行統一供電。原理是：由電源模塊產生一個頻率為20KHz，峰值為75V左右的脈沖電源，通過電纜連接到各模塊，各模塊使用如圖1所示的電路進行脈沖變壓器隔離降壓、整流、濾波和穩壓處理，產生IGBT驅動需要的+15V和-10V的電源。進行如此處理后，各模塊之間的電源實現了變壓器隔離，電路簡單可靠。

2）IGBT橋式電路的互鎖保護電路結構

在數控系統伺服器中，通常使用如圖2所示的三相橋式電路進行電源的逆變輸出。IGBT三相橋式電路中，在任意時刻在同一個橋臂的上下兩個IGBT不能同時開啟，否則將發生嚴重的直流短路故障，損壞IGBT。

為防止直流短路，可采用如圖3所示的互鎖電路進行同一橋臂的上下兩個IGBT控制（以圖2中Q1和Q2的控制為例）。在該電路中，光耦U1和U2的二極管端采用反向并聯，形成互鎖結構。在這種互鎖電路的控制下，Q1、Q2在任意狀態下都不能同時導通。

圖3 光電隔離和互鎖電路

3）IGBT過流和短路保護電路

IGBT在飽和導通過程中，其IC集電極電流和VCE飽和壓降，有如圖4所示的相互關系（IGBT型號BSM50GX120DN2）。圖4中可以看出，當IC集電極電流增加后，VCE飽和壓降迅速上升。通過檢測VCE的數據，可以判斷IGBT是否處于過流和短路狀態（比如ST公司的SIE20034）。

IGBT在導通過程中會承受幾個微秒以內的過電流，時間到后，如果IGBT仍然處于過電流狀態，就必需關斷IGBT，防止IGBT過電流損壞。以型號為BSM50GX120DN2的IGBT實際測試結果如圖4所示。

在圖5(a)中，向IGBT發送一個導通控制信號（波形1），觸發信號維持6uS后IGBT的沒有飽和導通，IGBT的C級反饋仍然保持高平，此時觸發信號自動關閉（波形2）。

圖4 IGBT集電極電流和飽和壓降關系圖

在圖5(b)中，向IGBT發送導通控制信號，在很短的時間內（小于1uS）IGBT實現飽和導通（信號1），IGBT的C級反饋變為低電平，此時輸出的導通信號維持（信號2）。在IGBT運行中，當電流過大，IGBT飽和壓降大于3V左右時，C級反饋變為高電平，關斷截止信號，保證IGBT的安全。

圖5 IGBT實際測試結果

4 IGBT驅動信號的功率驅動、限位保護和仿真

1）IGBT觸發信號的功率驅動和限位保護

圖6 觸發信號驅動與限位保護電路

在圖6中，Q1、Q2、Q3、Q4構成兩級推挽驅動結構，保證信號的驅動能力。電容C5和二極管D7、D8、D9，電阻R6、R7構成驅動信號的正向限幅電路，當出現一個大于+15V的脈沖干擾信號時，電路通過R7和D7向電容C5充電，從而吸收改干擾信號。二極管D5、D17和電阻R11構成反向限幅電路，當出現一個小于-10V的脈沖干擾信號時，電路通過R11和D17和D5進行限幅，吸收干擾信號，實現IGBT的柵級保護。同時由C6、R10和R11構成電流反饋回路提升脈沖信號邊沿的斜率，降低開關功耗。

2）電路仿真結果

圖7 電路仿真波形圖

為檢驗和驗證電路的性能，利用仿真軟件進行電路仿真。在電路的Q1和Q2的基極施加一個正向30V和反向-15V的脈沖尖峰。仿真波形如下圖7所示，其中波形a是帶脈沖尖峰的輸入信號，波形d是經過電路處理的輸出到IGBT的柵極驅動電壓。從圖可以看出，電路達到消除脈沖尖峰的效果，同時保證了脈沖信號邊沿的陡峭程度。

5 結束語

筆者從近年來，在多型數控系統中已反復使用過此電路設計對原設備進行改進，經改進后的驅動器模塊的主電路故障明顯減少，系統穩定性得到了增強。

[1] 劉丹. 級聯型高壓變頻器控制研究[J]. 制造業自動化,2010, (12): 97-100.

[2] 衛三民, 李發海. 一種大功率IGBT實用驅動及保護電路[J]. 清華大學學報: 自然科學版, 2001, 41(9): 55-58.

[3] 伍小杰, 曹興, 夏帥, 方蒽. IGBT驅動保護電路研究[J].電氣傳動, 2010, 40 (10).

[4] 屈維謙, 王久和. 大容量IGBT可靠性分析[J]. 電器開關,2008, 46(4): 1-4.

[5] 何秀華, 楊景紅. 大功率IGBT驅動電路的設計[J]. 電子工程師, 2008年, 34 (9).