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数控系统中最重要的组成部分，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，特别是伺服驱动模块和电源模块的故障率比较高，大功率IGBT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，因此对伺服电源模块和驱动模块的维修就显得特别重要。本文结合自身的维修经验，主要介绍西门子6SNl 123驱动模块的一般维修方法。因为6SNI 145电源模块与驱动模块的电路结构基本相同，电源模块实现整流，驱动模块实现逆变，其大功率IGBT及其驱动电路完全一样，因此具有同样的借鉴意义。
1 驱动模块的基本电路结构
驱动模块的结构较为简单，分为控制模块和功率模块两部分，控制模块接收CPU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。功率模块接收PWM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。功率模块的故障率较高，驱动模块故障的90％均为功率模块故障，驱动模块的维修重点就是功率模块的维修。
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，它是驱动模块的核心电路之一，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。
功率模块故障基本都是IGBT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，这一点在驱动模块的维修中非常重要。关于IGBT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
2.1 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。
西门子功率模块中的IGBT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。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。
2.2 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：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。
(2)C、E间的检测：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。
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。
3 IGBT元件的检修
西门子驱动模块的门极驱动电路采用典型的光耦隔离驱动电路，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，控制模块输出的PWM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，一般来说当驱动模块直流母线上快熔开路，或者是IGBT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，则该通道正常。用此方法分别对6路通道进行测试，结果一样则呵以基本认定控制回路正常。
(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，最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。
4 结语
611驱动模块按照功率不同其价格一般在数万元左右，随着西门子新一代S120驱动系统的推广应用，611驱动模块的备件采购价格将会越来越高。我公司通过对驱动模块、电源模块开展芯片级维修，既降低了备件的采购量，又节省了大基的维修费用，缩短了设备的维修时间，取得了良好的经济效益。
(审核编辑: 智汇张瑜)
