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近年来西门子公司Sinumerik数控系统在制造业各种加工设备中的应用越来越广泛。SimoDrive61 l变频系统是Sinumerik数控系统中zui重要的组成部分,但是611系统对使用环境的要求相对较高,电网质量、环境温湿度及灰尘等因素都对系统的稳定运行造成很大影响,特别是伺服驱动?楹偷缭茨?榈墓收下时冉细撸蠊β蔍GBT元件很容易损坏。
笔者公司目前拥有西门子各类数控系统近百台、套,因此对伺服电源?楹颓?榈奈蘧拖缘锰乇鹬匾1疚慕岷献陨淼奈蘧椋饕樯芪髅抛6SNl 123驱动?榈囊话阄薹椒āR蛭6SNI 145电源?橛肭?榈牡缏方峁够鞠嗤缭茨?槭迪终鳎?槭迪帜姹洌浯蠊β蔍GBT及其驱动电路完全一样,因此具有同样的借鉴意义。

1 驱动?榈幕镜缏方峁

驱动?榻峁故疽馔
1可知,Cl、C2和R1、It2组成滤波电路;V1~V6六只IGBT管组成了三相桥式逆变电路,它是驱动?榈暮诵牡缏之一,有规律地控制IGBT的导通与关断,就可以得到任意频率的三相交流输出。IGBT管在导通和关断的瞬间,其电压和电流的变化率非常大,可能使IGBT管受到损害,因此,每个IDBT管旁边接人由C01一C06和R01~R06组成的保护电路。IGBT管每次由导通到截止的瞬间,集电极和发射极间的电压将迅速由0 V上升为直流母线电压Ud,C01~C06可以减小这种过高的电压增长率;同时,IDBT管由截止到导通的瞬间,C01~C06所充的电压将对V1~V6放电,此放电电流的初值很大,R01~R06可以限制C01一C06的瞬间放电电流,防止IGBT管损坏。
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驱动?榈慕峁菇衔虻ィ治刂颇?楹凸β誓?榱讲糠郑刂颇?榻邮誄PU的控制指令及外部反馈信号,产生PWM波,实际应用中故障率很低,在此不做介绍。功率?榻邮誔WM波经门极驱动电路放大后触发IGBT元件,将600 V直流电逆变生成三相交流电驱动伺服电动机。功率?榈墓收下式细撸?楣收系90%均为功率?楣收希?榈奈拗氐憔褪枪β誓?榈奈蕖M1为驱动?榈牡缏肥疽馔肌
功率?楣收匣径际荌GBT功率元件损坏,主要原因为IGBT元件自身失效或驱动电路故障导致IGBT元件烧毁,而一般IGBT元件的故障都会导致其驱动电路的损坏,这一点在驱动?榈奈拗蟹浅V匾9赜贗GBT及其门极驱动电路的维修在下面详细介绍。

2 IGBT元件的检修
IGBT元件简介
IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor(绝缘栅双极型晶体管)的缩写,是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件,其输入极为MOSFET,输出极为PNP晶体管,它既具有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的优点,又具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点,在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用,在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。西门子功率?橹械腎GBT元件一般选用eupee或infineon系列,也有使用富士系列的,其基本结构都是相同的。如图2所示,若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压,则MOSFET导通,这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通;若IGBT的栅极和发射极之间电压为0 V,则MOS截止,切断PNP晶体管基极电流的供给,使得晶体管截止。IGBT与MOSFET一样也是电压控制型器件,在它的栅极一发射极间施加十几伏的直流电压,只有肚级的漏电流流过,基本上不消耗功率。

IGBT的等效电路
IGBT的栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离,此氧化膜很薄,其击穿电压一般为20~30 V,因此因静电而导致栅极击穿是IGBT失效的常见原因之一。在使用IGBT元件时,尽量不要用手触摸驱动端子部分,或者先释放静电然后再触摸。IGBT元件的散热不良也是导致其失效的重要原因。IGBT元件与散热片接触不好或散热风扇损坏都将导致IGBT元件发热过高而发生故障。另外,伺服电动机短路,对地绝缘不好,电动机堵转,外部电源电压过高及驱动电路故障等都有可能造成IGBT元件的损坏。IGBT元件的检测,IGBT元件可以通过晶体管特性测定装置检测G、E及C、E问的漏电流来判断好坏。一般情况下,使用数字式万用表即可进行简单的故障判定。具体方法如下:
(1)G、E间的检测:如图3所示,将C、E间短接,测量G、E间的电阻值。注意不要在G、E间加超过±20 V的电压,万用表要确认内部电池电压不超过20V。无论万用表正负表笔如何连接,检测的电阻值始终为数十兆欧至无穷大,则IGBT元件基本正常,否则损坏的可能性很大。
G、E间的检测
C、E间的检测:如图4所示,将G、E间短接,测量C、E间的电阻值。集电极接万用表正极,发射极接万用表负极,如果相反,则FWD导通,C、E间为短路状态。如果检测的电阻值在数十兆欧至无穷大,则IGBT元件基本正常,否则损坏的可能性很大。C、E间的检测上述两种检测方法,任何一种检测结果异常,均可判定IGBT元件故障,直接更换即可。

IGBT元件的检修
西门子驱动?榈拿偶缏凡捎玫湫偷墓怦罡衾肭缏罚湓硗既缤5所示。由于IGBT是高速器件,所选用的光耦U5(4 514 V)是一种高速型光耦,控制?槭涑龅腜WM方波信号经过光耦传递至整形放大电路D5(SIE20034),经D5放大后驱动由V56、V57组成的对管(V56、v57使用C63816、C63916开关管),对管的输出经电阻R52驱动IGBT的门极。造成驱动损坏的原因有各种各样的,一般来说当驱动?橹绷髂赶呱峡烊劭罚蛘呤荌GBT元件损坏的情况下,驱动电路基本都不可能完好无损。切不可换上好的快熔或者IGBT元件直接上电启动,这样很容易造成刚换上的好的器件再次损坏。这个时候需要重点检查驱动电路是否正常,方法如下:
(1)先将IGBT元件的G、E脚与驱动电路板脱开,用万用表电阻档分别测量六路驱动电路G、E脚的阻值是否都相同。万用表先正极接G负极接E,然后反过来再测量,两种状态如果某路阻值明显不同,则此路的元件肯定有损坏。
(2)如果六路阻值都基本相同,接下来需要加电测试:使用示波器测量六路驱动电路上电压是否相同,当给定一个启动信号时六路驱动电路的波形是否一致。如果没有示波器的话,也可以使用数字式万用表来测量驱动电路的直流电压。
具体方法是:首先给SIE20034的4、6脚加上工作电压,测量驱动电路输出端的电压,即G和E之间的电压,应该均为负值(测G端以E端为基准),一般约为负5 V左右,如果某一电路不能产生负偏电压,则驱动电路一开就会损坏IGBT元件。然后在光耦4 514 V的2、3脚卜加一个约5 V、20 mA的正信号,使光耦导通,此时输出电压应为正值,一般为正8—10 V左右,此时如可以明显地看到随着光耦输入信号的有无,输出端的电压在正负之间变动,则该通道正●!S么朔椒ǚ直鸲6路通道进行测试,结果一样则呵以基本认定控制回路正●!
(3)将IGBT元件连接到驱动电路上,在直流母线上先加上直流30 V电压替代原来的600 V高压,依次检测每一路IGBT元件的通断情况。为了确保安全,还可以在IGBT元件与滤波大电容之间串联一组灯泡做假负载来验证,通电后如果灯泡亮度很大说明电路有短路情况,这样可以保护IGBT元件不被大电容的放电电流烧坏。
经过检查发现某一路驱动电路有异常时,可以用比较法(测量阻值或电压)与正常电路进行逐点比较,zui终找出损坏的元件进行更换,直到测试结果与正常电路一样为止。因为驱动电路的元器件并不多,这种方法找到故障点并不困难。实际维修中4 515 V光耦比较容易损坏,驱动电路的元件价格一般不是很高,象光耦这样的器件随着使用时间的增加性能会逐步变差,一般可以直接更换。实际维修中,光耦也可以用HP4506替代使用。

结语
西门子伺服驱动?槲薨凑展β什煌浼鄹褚话阍谑蛟笥遥孀盼髅抛有乱淮鶶120驱动系统的推广应用,611驱动?榈谋讣晒杭鄹窠嵩嚼丛礁摺N夜就ü郧?椤⒌缭茨?榭剐酒段蓿冉档土吮讣牟晒毫浚纸谑×舜蠡奈薹延茫醵塘松璞傅奈奘奔洌〉昧肆己玫木眯б妗

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