西門(mén)子SimoDrive伺服驅(qū)動(dòng)模塊的維修

王安軍 吳俊寧 劉偉

(奇瑞汽車(chē)股份有限公司，安徽蕪湖 241009)

近年來(lái)西門(mén)子公司Sinumerik數(shù)控系統(tǒng)在制造業(yè)各種加工設(shè)備中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。SimoDrive611變頻系統(tǒng)是Sinumerik數(shù)控系統(tǒng)中最重要的組成部分，但是611系統(tǒng)對(duì)使用環(huán)境的要求相對(duì)較高，電網(wǎng)質(zhì)量、環(huán)境溫濕度及灰塵等因素都對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成很大影響，特別是伺服驅(qū)動(dòng)模塊和電源模塊的故障率比較高，大功率IGBT元件很容易損壞。

筆者公司目前擁有西門(mén)子各類(lèi)數(shù)控系統(tǒng)近百臺(tái)、套，因此對(duì)伺服電源模塊和驅(qū)動(dòng)模塊的維修就顯得特別重要。本文結(jié)合自身的維修經(jīng)驗(yàn)，主要介紹西門(mén)子6SN1123驅(qū)動(dòng)模塊的一般維修方法。因?yàn)?SN1145電源模塊與驅(qū)動(dòng)模塊的電路結(jié)構(gòu)基本相同，電源模塊實(shí)現(xiàn)整流，驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)逆變，其大功率IGBT及其驅(qū)動(dòng)電路完全一樣，因此具有同樣的借鑒意義。

1 驅(qū)動(dòng)模塊的基本電路結(jié)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)模塊的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，分為控制模塊和功率模塊兩部分，控制模塊接收CPU的控制指令及外部反饋信號(hào)，產(chǎn)生PWM波，實(shí)際應(yīng)用中故障率很低，在此不做介紹。功率模塊接收PWM波經(jīng)門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路放大后觸發(fā)IGBT元件，將600 V直流電逆變生成三相交流電驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)。功率模塊的故障率較高，驅(qū)動(dòng)模塊故障的90%均為功率模塊故障，驅(qū)動(dòng)模塊的維修重點(diǎn)就是功率模塊的維修。圖1為驅(qū)動(dòng)模塊的電路示意圖。

由圖1可知，C1、C2和R1、R2組成濾波電路；V1～V6六只IGBT管組成了三相橋式逆變電路，它是驅(qū)動(dòng)模塊的核心電路之一，有規(guī)律地控制IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷，就可以得到任意頻率的三相交流輸出。

IGBT管在導(dǎo)通和關(guān)斷的瞬間，其電壓和電流的變化率非常大，可能使IGBT管受到損害，因此，每個(gè)IGBT管旁邊接入由C01～C06和R01～R06組成的保護(hù)電路。IGBT管每次由導(dǎo)通到截止的瞬間，集電極和發(fā)射極間的電壓將迅速由0 V上升為直流母線電壓Ud，C01～C06可以減小這種過(guò)高的電壓增長(zhǎng)率；同時(shí)，IGBT管由截止到導(dǎo)通的瞬間，C01～C06所充的電壓將對(duì)V1～V6放電，此放電電流的初值很大，R01～R06可以限制C01～C06的瞬間放電電流，防止IGBT管損壞。

功率模塊故障基本都是IGBT功率元件損壞，主要原因?yàn)镮GBT元件自身失效或驅(qū)動(dòng)電路故障導(dǎo)致IGBT元件燒毀，而一般IGBT元件的故障都會(huì)導(dǎo)致其驅(qū)動(dòng)電路的損壞，這一點(diǎn)在驅(qū)動(dòng)模塊的維修中非常重要。關(guān)于IGBT及其門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路的維修在下面詳細(xì)介紹。

2 IGBT元件的檢修

2.1 IGBT元件簡(jiǎn)介

IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor(絕緣柵雙極型晶體管)的縮寫(xiě)，是由MOSFET和雙極型晶體管復(fù)合而成的一種器件，其輸入極為MOSFET，輸出極為PNP晶體管，它既具有MOSFET器件驅(qū)動(dòng)功率小和開(kāi)關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)，又具有雙極型器件飽和壓降低而容量大的優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代電力電子技術(shù)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，在較高頻率的大、中功率應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位。

西門(mén)子功率模塊中的IGBT元件一般選用eupec或infineon系列，也有使用富士系列的，其基本結(jié)構(gòu)都是相同的。如圖2所示，若在IGBT的柵極和發(fā)射極之間加上驅(qū)動(dòng)正電壓，則 MOSFET導(dǎo)通，這樣PNP晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態(tài)而使得晶體管導(dǎo)通；若IGBT的柵極和發(fā)射極之間電壓為0 V，則MOS截止，切斷PNP晶體管基極電流的供給，使得晶體管截止。IGBT與MOSFET一樣也是電壓控制型器件，在它的柵極—發(fā)射極間施加十幾伏的直流電壓，只有μA級(jí)的漏電流流過(guò)，基本上不消耗功率。

IGBT的柵極通過(guò)一層氧化膜與發(fā)射極實(shí)現(xiàn)電隔離，此氧化膜很薄，其擊穿電壓一般為20～30 V，因此因靜電而導(dǎo)致柵極擊穿是IGBT失效的常見(jiàn)原因之一。在使用IGBT元件時(shí)，盡量不要用手觸摸驅(qū)動(dòng)端子部分，或者先釋放靜電然后再觸摸。IGBT元件的散熱不良也是導(dǎo)致其失效的重要原因。IGBT元件與散熱片接觸不好或散熱風(fēng)扇損壞都將導(dǎo)致IGBT元件發(fā)熱過(guò)高而發(fā)生故障。另外，伺服電動(dòng)機(jī)短路，對(duì)地絕緣不好，電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)，外部電源電壓過(guò)高及驅(qū)動(dòng)電路故障等都有可能造成IGBT元件的損壞。

2.2 IGBT元件的檢測(cè)

IGBT元件可以通過(guò)晶體管特性測(cè)定裝置檢測(cè)G、E及C、E間的漏電流來(lái)判斷好壞。一般情況下，使用數(shù)字式萬(wàn)用表即可進(jìn)行簡(jiǎn)單的故障判定。具體方法如下：

(1)G、E間的檢測(cè)：如圖3所示，將C、E間短接，測(cè)量G、E間的電阻值。注意不要在G、E間加超過(guò)±20 V的電壓，萬(wàn)用表要確認(rèn)內(nèi)部電池電壓不超過(guò)20 V。無(wú)論萬(wàn)用表正負(fù)表筆如何連接，檢測(cè)的電阻值始終為數(shù)十兆歐至無(wú)窮大，則IGBT元件基本正常，否則損壞的可能性很大。

(2)C、E間的檢測(cè)：如圖4所示，將G、E間短接，測(cè)量C、E間的電阻值。集電極接萬(wàn)用表正極，發(fā)射極接萬(wàn)用表負(fù)極，如果相反，則FWD導(dǎo)通，C、E間為短路狀態(tài)。如果檢測(cè)的電阻值在數(shù)十兆歐至無(wú)窮大，則IGBT元件基本正常，否則損壞的可能性很大。

上述兩種檢測(cè)方法，任何一種檢測(cè)結(jié)果異常，均可判定IGBT元件故障，直接更換即可。

3 門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路的檢修

西門(mén)子驅(qū)動(dòng)模塊的門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路采用典型的光耦隔離驅(qū)動(dòng)電路，其原理圖如圖5所示。由于IGBT是高速器件，所選用的光耦U5(4514 V)是一種高速型光耦，控制模塊輸出的PWM方波信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦傳遞至整形放大電路D5(SIE20034)，經(jīng)D5放大后驅(qū)動(dòng)由V56、V57 組成的對(duì)管(V56、V57 使用 C63816、C63916開(kāi)關(guān)管)，對(duì)管的輸出經(jīng)電阻R52驅(qū)動(dòng)IGBT的門(mén)極。

造成驅(qū)動(dòng)損壞的原因有各種各樣的，一般來(lái)說(shuō)當(dāng)驅(qū)動(dòng)模塊直流母線上快熔開(kāi)路，或者是IGBT元件損壞的情況下，驅(qū)動(dòng)電路基本都不可能完好無(wú)損。切不可換上好的快熔或者IGBT元件直接上電啟動(dòng)，這樣很容易造成剛換上的好的器件再次損壞。這個(gè)時(shí)候需要重點(diǎn)檢查驅(qū)動(dòng)電路是否正常，方法如下：

(1)先將IGBT元件的G、E腳與驅(qū)動(dòng)電路板脫開(kāi)，用萬(wàn)用表電阻檔分別測(cè)量六路驅(qū)動(dòng)電路G、E腳的阻值是否都相同。萬(wàn)用表先正極接G負(fù)極接E，然后反過(guò)來(lái)再測(cè)量，兩種狀態(tài)如果某路阻值明顯不同，則此路的元件肯定有損壞。

(2)如果六路阻值都基本相同，接下來(lái)需要加電測(cè)試：使用示波器測(cè)量六路驅(qū)動(dòng)電路上電壓是否相同，當(dāng)給定一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)時(shí)六路驅(qū)動(dòng)電路的波形是否一致。如果沒(méi)有示波器的話，也可以使用數(shù)字式萬(wàn)用表來(lái)測(cè)量驅(qū)動(dòng)電路的直流電壓。

具體方法是：首先給SIE20034的4、6腳加上工作電壓，測(cè)量驅(qū)動(dòng)電路輸出端的電壓，即G和E之間的電壓，應(yīng)該均為負(fù)值(測(cè)G端以E端為基準(zhǔn))，一般約為負(fù)5 V左右，如果某一電路不能產(chǎn)生負(fù)偏電壓，則驅(qū)動(dòng)電路一開(kāi)就會(huì)損壞IGBT元件。然后在光耦4514 V的2、3腳上加一個(gè)約5 V、20 mA的正信號(hào)，使光耦導(dǎo)通，此時(shí)輸出電壓應(yīng)為正值，一般為正8～10 V左右，此時(shí)如可以明顯地看到隨著光耦輸入信號(hào)的有無(wú)，輸出端的電壓在正負(fù)之間變動(dòng)，則該通道正常。用此方法分別對(duì)6路通道進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果一樣則可以基本認(rèn)定控制回路正常。

(3)將IGBT元件連接到驅(qū)動(dòng)電路上，在直流母線上先加上直流30 V電壓替代原來(lái)的600 V高壓，依次檢測(cè)每一路IGBT元件的通斷情況。為了確保安全，還可以在IGBT元件與濾波大電容之間串聯(lián)一組燈泡做假負(fù)載來(lái)驗(yàn)證，通電后如果燈泡亮度很大說(shuō)明電路有短路情況，這樣可以保護(hù)IGBT元件不被大電容的放電電流燒壞。

經(jīng)過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)某一路驅(qū)動(dòng)電路有異常時(shí)，可以用比較法(測(cè)量阻值或電壓)與正常電路進(jìn)行逐點(diǎn)比較，最終找出損壞的元件進(jìn)行更換，直到測(cè)試結(jié)果與正常電路一樣為止。因?yàn)轵?qū)動(dòng)電路的元器件并不多，這種方法找到故障點(diǎn)并不困難。實(shí)際維修中4515 V光耦比較容易損壞，驅(qū)動(dòng)電路的元件價(jià)格一般不是很高，象光耦這樣的器件隨著使用時(shí)間的增加性能會(huì)逐步變差，一般可以直接更換。實(shí)際維修中，光耦也可以用HP4506替代使用。

4 結(jié)語(yǔ)

611驅(qū)動(dòng)模塊按照功率不同其價(jià)格一般在數(shù)萬(wàn)元左右，隨著西門(mén)子新一代S120驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，611驅(qū)動(dòng)模塊的備件采購(gòu)價(jià)格將會(huì)越來(lái)越高。我公司通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊開(kāi)展芯片級(jí)維修，既降低了備件的采購(gòu)量，又節(jié)省了大量的維修費(fèi)用，縮短了設(shè)備的維修時(shí)間，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。