0 引言

　　數(shù)控系統(tǒng)中，電源模塊及電機驅(qū)動模塊是非常重要的工作部件，但同時這兩種模塊也是數(shù)控設(shè)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(shù)裝備制造業(yè)基地，聚集了近萬臺各種各樣的數(shù)控設(shè)備。長期的工作實踐發(fā)現(xiàn)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ai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(xiàn)。筆者借鑒多款國外主流產(chǎn)品提出一種相對更成熟的IGBT驅(qū)動和保護電路設(shè)計，在實際應(yīng)用中達(dá)到更有效保護IGBT的作用，降低驅(qū)動器的損壞率，增強數(shù)控系統(tǒng)的可靠性。

1 常見的lGBT模塊損壞原因

　　分析表明，IGBT模塊損壞的主要原因有：
　　1)負(fù)載短路引起短時間大電流，IGBT沒有及時關(guān)斷，溫度急劇上升，最終導(dǎo)致IGBT的C級和E級間短路失效或開路失效。

　　2)lGBT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(fā)信號上升沿和下降沿斜率較小，導(dǎo)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(huán)境降低IGBT散熱效果，模塊溫度增加，導(dǎo)致性能下降和損壞。

2 IGBT驅(qū)動和保護電路的設(shè)計思路

　　針對實際出現(xiàn)的問題，在IGBT驅(qū)動和保護電路設(shè)計中，主要考慮以下五個方面：
　　1)針對負(fù)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(guān)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(qū)動芯片進行柵極信號處理，降低IGBT的開關(guān)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(qū)動和保護電路硬件設(shè)計

　　1)驅(qū)動電路電源在IGBT的驅(qū)動中。為保證驅(qū)動控制電路的可靠性，采用如圖1所示的供電模式。

　　通常在數(shù)控系統(tǒng)中，為保證各系統(tǒng)的同步性和協(xié)調(diào)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(tǒng)一供電。原理是：由電源模塊產(chǎn)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(wěn)壓處理，產(chǎn)生IGBT驅(qū)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(xiàn)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(jié)構(gòu)

　　在數(shù)控系統(tǒng)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(fā)生嚴(yán)重的直流短路敝障，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(lián)，形成互鎖結(jié)構(gòu)。在這種互鎖電路的控制下，Q1、Q2在任意狀態(tài)下都不能同時導(dǎo)通。

3)IGBT過流和短路保護電路

　　IGBT在飽和導(dǎo)通過程中，其I_C集電極電流和V_CE飽和壓降，有如圖4所示的相互關(guān)系(1GBT型號BsM50Gxl20DN2)。圖4中可以看出，當(dāng)I_C集電極電流增加后，V_CE飽和壓降迅速上升。通過檢測VcE的數(shù)據(jù)，可以判斷IGBT是否處于過流和短路狀態(tài)(比如ST公司的SIE20034)。

　　IGBT在導(dǎo)通過程中會承受幾個微秒以內(nèi)的過電流，時間到后，如果IGBT仍然處于過電流狀態(tài)，就必需關(guān)斷IGBT，防止IGBT過電流損壞。以型號為BSM50GXl20DN2的IGBT實際測試結(jié)果如圖4所示。

　　在圖5(a)中。向IGBT發(fā)送一個導(dǎo)通控制信號(波形1)，觸發(fā)信號維持6us后IGBT的沒有飽和導(dǎo)通，IGBT的C級反饋仍然保持高平，此時觸發(fā)信號自動關(guān)閉(波形2)。

　　在圖5(b)中，向IGBT發(fā)送導(dǎo)通控制信號，在很短的時間內(nèi)(小于1us)IGBT實現(xiàn)飽和導(dǎo)通(信號1)，IGBT的C級反饋變?yōu)榈碗姾?，此時輸出的導(dǎo)通信號維持(信號2)。在IGBT運行中，當(dāng)電流過大，IGBT飽和壓降大于3V左右時，C級反饋變?yōu)楦唠娖?，關(guān)斷截止信號，保證IGBT的安全。

4 IGBT驅(qū)動信號的功率驅(qū)動，限位保護和仿真

　　1)IGBT觸發(fā)信號的功率驅(qū)動和限位保護

　　在圖6中，Q1、Q2、Q3、Q4構(gòu)成兩級推挽驅(qū)動結(jié)構(gòu)，保證信號的驅(qū)動能力。電容C5和二極管D7、D8、D9，電阻R6、R7構(gòu)成驅(qū)動信號的正向限幅電路，當(dāng)出現(xiàn)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Rll構(gòu)成反向限幅電路，當(dāng)出現(xiàn)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(xiàn)IGBT的柵級保護。同時由C6、RlO和R11構(gòu)成電流反饋回路提升脈沖信號邊沿的斜率，降低開關(guān)功耗。

　　2)電路仿真結(jié)果

　　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Ql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(jīng)過電路處理的輸出到IGBT的柵極驅(qū)動電壓。從圖可以看出，電路達(dá)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(jié)束語

　　筆者從近年來，在多型數(shù)控系統(tǒng)中已反復(fù)使用過此電路設(shè)計對原設(shè)備進行改進，經(jīng)改進后的驅(qū)動器模塊的主電路故障明顯減少，系統(tǒng)穩(wěn)定性得到了增強。