0 引言

　　數(shù)控系統(tǒng)中，電源模塊及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是非常重要的工作部件，但同時(shí)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(yáng)市是國(guó)家重大技術(shù)裝備制造業(yè)基地，聚集了近萬(wàn)臺(tái)各種各樣的數(shù)控設(shè)備。長(zhǎng)期的工作實(shí)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(mén)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(duì)于模塊的保護(hù)，主要通過(guò)并保護(hù)IGBT實(shí)現(xiàn)。筆者借鑒多款國(guó)外主流產(chǎn)品提出一種相對(duì)更成熟的IGBT驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路設(shè)計(jì)，在實(shí)際應(yīng)用中達(dá)到更有效保護(hù)IGBT的作用，降低驅(qū)動(dòng)器的損壞率，增強(qiáng)數(shù)控系統(tǒng)的可靠性。

1 常見(jiàn)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(shí)間大電流，IGBT沒(méi)有及時(shí)關(guān)斷，溫度急劇上升，最終導(dǎo)致IGBT的C級(jí)和E級(jí)間短路失效或開(kāi)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(hào)上升沿和下降沿斜率較小，導(dǎo)致IGBT的開(kāi)通和截止功耗增加，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)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(dòng)和保護(hù)電路的設(shè)計(jì)思路

　　針對(duì)實(shí)際出現(xiàn)的問(wèn)題，在IGBT驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路設(shè)計(jì)中，主要考慮以下五個(gè)方面：
　　1)針對(duì)負(fù)載短路引起大電流，最主要的解決方法是及時(shí)檢測(cè)到IGBT電流突然增大造成的VCE上升，進(jìn)而迅速關(guān)斷IGBT。
　　2)每個(gè)IGBT模塊使用獨(dú)立的控制電源，盡量減少I(mǎi)GBT模塊柵極信號(hào)的干擾。
　　3)使用高速光耦和驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行柵極信號(hào)處理，降低IGBT的開(kāi)關(guān)損耗。
　　4)逆變橋上下臂控制信號(hào)互鎖，防止直流短路。
　　5)改進(jìn)IGBT模塊溫度檢測(cè)、改善散熱處理。

3 IGBT驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路硬件設(shè)計(jì)

　　1)驅(qū)動(dòng)電路電源在IGBT的驅(qū)動(dòng)中。為保證驅(qū)動(dòng)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(gè)獨(dú)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(jìn)行集中供電。但各功能模塊之間的控制電源又需要進(jìn)行隔離，提高可靠性，為此采用脈沖電源的模式進(jìn)行統(tǒng)一供電。原理是：由電源模塊產(chǎn)生一個(gè)頻率為20KHz，峰值為75V左右的脈沖電源，通過(guò)電纜連接到各模塊，各模塊使用如圖1所示的電路進(jìn)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(dòng)需要的+15V和-10V的電源。進(jìn)行如此處理后，各模塊之間的電源實(shí)現(xiàn)了變壓器隔離，電路簡(jiǎn)單可靠。

　　2)IGBT橋式電路的互鎖保護(hù)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(jìn)行電源的逆變輸出。IGBT三相橋式電路中，在任意時(shí)刻在同一個(gè)橋臂的上下兩個(gè)IGBT不能同時(shí)開(kāi)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(jìn)行同一橋臂的上下兩個(gè)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(shí)導(dǎo)通。

3)IGBT過(guò)流和短路保護(hù)電路

　　IGBT在飽和導(dǎo)通過(guò)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(hào)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(guò)檢測(cè)VcE的數(shù)據(jù)，可以判斷IGBT是否處于過(guò)流和短路狀態(tài)(比如ST公司的SIE20034)。

　　IGBT在導(dǎo)通過(guò)程中會(huì)承受幾個(gè)微秒以內(nèi)的過(guò)電流，時(shí)間到后，如果IGBT仍然處于過(guò)電流狀態(tài)，就必需關(guān)斷IGBT，防止IGBT過(guò)電流損壞。以型號(hào)為BSM50GXl20DN2的IGBT實(shí)際測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

　　在圖5(a)中。向IGBT發(fā)送一個(gè)導(dǎo)通控制信號(hào)(波形1)，觸發(fā)信號(hào)維持6us后IGBT的沒(méi)有飽和導(dǎo)通，IGBT的C級(jí)反饋仍然保持高平，此時(shí)觸發(fā)信號(hào)自動(dòng)關(guān)閉(波形2)。

　　在圖5(b)中，向IGBT發(fā)送導(dǎo)通控制信號(hào)，在很短的時(shí)間內(nèi)(小于1us)IGBT實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通(信號(hào)1)，IGBT的C級(jí)反饋?zhàn)優(yōu)榈碗姾酰藭r(shí)輸出的導(dǎo)通信號(hào)維持(信號(hào)2)。在IGBT運(yùn)行中，當(dāng)電流過(guò)大，IGBT飽和壓降大于3V左右時(shí)，C級(jí)反饋?zhàn)優(yōu)楦唠娖剑P(guān)斷截止信號(hào)，保證IGBT的安全。

4 IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)的功率驅(qū)動(dòng)，限位保護(hù)和仿真

　　1)IGBT觸發(fā)信號(hào)的功率驅(qū)動(dòng)和限位保護(hù)

　　在圖6中，Q1、Q2、Q3、Q4構(gòu)成兩級(jí)推挽驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，保證信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力。電容C5和二極管D7、D8、D9，電阻R6、R7構(gòu)成驅(qū)動(dòng)信號(hào)的正向限幅電路，當(dāng)出現(xiàn)一個(gè)大于+15V的脈沖干擾信號(hào)時(shí)，電路通過(guò)R7和D7向電容C5充電，從而吸收改干擾信號(hào)。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(gè)小于-10V的脈沖干擾信號(hào)時(shí)，電路通過(guò)R11和D17和D5進(jìn)行限幅，吸收干擾信號(hào)，實(shí)現(xiàn)IGBT的柵級(jí)保護(hù)。同時(shí)由C6、RlO和R11構(gòu)成電流反饋回路提升脈沖信號(hào)邊沿的斜率，降低開(kāi)關(guān)功耗。

　　2)電路仿真結(jié)果

　　為檢驗(yàn)和驗(yàn)證電路的性能，利用仿真軟件進(jìn)行電路仿真。在電路的Ql和Q2的基極施加一個(gè)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(hào)。波形d是經(jīng)過(guò)電路處理的輸出到IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)電壓。從圖可以看出，電路達(dá)到消除脈沖尖峰的效果，同時(shí)保證了脈沖信號(hào)邊沿的陡峭程度。

5 結(jié)束語(yǔ)

　　筆者從近年來(lái)，在多型數(shù)控系統(tǒng)中已反復(fù)使用過(guò)此電路設(shè)計(jì)對(duì)原設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，經(jīng)改進(jìn)后的驅(qū)動(dòng)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(qiáng)。