数控设备驱动器的主电路保护分析与研究

0 引言

　　数控系统中，电源模块及电机驱动模块是非常重要的工作部件，但同时这两种模块也是数控设备中很容易被损坏的。笔者所在的四川省德阳市是国家重大技术装备制造业基地，聚集了近万台各种各样的数控设备。长期的工作实践发现这两种模块的故障主要出在主电路上，例如西门子的611系列模块、FUNAC的ai系列等。由于这些模块的主电路通常使用大功率的IGBT作为主控元件，所以对于模块的保护，主要通过并保护IGBT实现。笔者借鉴多款国外主流产品提出一种相对更成熟的IGBT驱动和保护电路设计，在实际应用中达到更有效保护IGBT的作用，降低驱动器的损坏率，增强数控系统的可靠性。

1 常见的lGBT模块损坏原因

　　分析表明，IGBT模块损坏的主要原因有：
　　1)负载短路引起短时间大电流，IGBT没有及时关断，温度急剧上升，最终导致IGBT的C级和E级间短路失效或开路失效。

　　2)lGBT的控制栅极受到大幅值干扰脉冲冲击，造成栅极损坏。

　　3)触发信号上升沿和下降沿斜率较小，导致IGBT的开通和截止功耗增加，长时间运行，烧坏IGBT。

　　4)恶劣工作环境降低IGBT散热效果，模块温度增加，导致性能下降和损坏。

2 IGBT驱动和保护电路的设计思路

　　针对实际出现的问题，在IGBT驱动和保护电路设计中，主要考虑以下五个方面：
　　1)针对负载短路引起大电流，最主要的解决方法是及时检测到IGBT电流突然增大造成的VCE上升，进而迅速关断IGBT。
　　2)每个IGBT模块使用独立的控制电源，尽量减少IGBT模块栅极信号的干扰。
　　3)使用高速光耦和驱动芯片进行栅极信号处理，降低IGBT的开关损耗。
　　4)逆变桥上下臂控制信号互锁，防止直流短路。
　　5)改进IGBT模块温度检测、改善散热处理。

3 IGBT驱动和保护电路硬件设计

　　1)驱动电路电源在IGBT的驱动中。为保证驱动控制电路的可靠性，采用如图1所示的供电模式。

　　通常在数控系统中，为保证各系统的同步性和协调性，一般都是用一个独立的电源模块向子模块(比如：主轴模块、伺服模块、CPU模块和显示模块)进行集中供电。但各功能模块之间的控制电源又需要进行隔离，提高可靠性，为此采用脉冲电源的模式进行统一供电。原理是：由电源模块产生一个频率为20KHz，峰值为75V左右的脉冲电源，通过电缆连接到各模块，各模块使用如图1所示的电路进行脉冲变压器隔离降压、整流、滤波和稳压处理，产生IGBT驱动需要的+15V和-10V的电源。进行如此处理后，各模块之间的电源实现了变压器隔离，电路简单可靠。

　　2)IGBT桥式电路的互锁保护电路结构

　　在数控系统伺服器中，通常使用如图2所示的三相桥式电路进行电源的逆变输出。IGBT三相桥式电路中，在任意时刻在同一个桥臂的上下两个IGBT不能同时开启，否则将发生严重的直流短路敝障，损坏IGBT。

　　为防止直流短路，可采用如图3所示的互锁电路进行同一桥臂的上下两个IGBT控制(以图2中Q1和Q2的控制为例)。在该电路中，光耦U1和U2的二极管端采用反向并联，形成互锁结构。在这种互锁电路的控制下，Q1、Q2在任意状态下都不能同时导通。