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PC923、PC929驱动电路
发布者:深圳市佳鸿威科技有限公司  发布时间:2015-05-13
 PC923PC929驱动电路

   对逆变功率电路的修复是在确认CPU主板和驱动电路正常的前提下进行的,否则对IGBT模块的盲目更换不但毫无意义,而且可能会造成直接的经济损失;对驱动电路的修复是在CPU主板能正常输出六路脉冲信号的前提下进行的,否则对驱动电路的修复不但无意义,而且给检测带来了一定的难度。CPU主板的正常,为我们修复各种故障,提供了有效的监控和提示的作用,使我们能根据操作显示面板上故障代码的提示,有针对性地检查故障电路。

    变频器完善的各种检测和保护功能,在变频器正常运行时是非常必要的,在我们进行局部电路故障的维修时——总得使机器脱离开整机连接的状态,来进行检修吧,会引发相关保护电路的起控,而使变频器进入故障锁定状态,停止了对比如对六路脉冲信号的输出,使我们无法(或比较困难)检测该信号通路如驱动电路是否能正常地对CPU电路来的六路脉冲信号进行传输和放大。

    驱动电路的工作状态的正常,只有一个标准:能正常地传输和放大六路驱动脉冲。输出的六路驱动脉冲具有符合要求的电压幅度和电流供给能力。静态(待机)下的工作点检测,往往不能得出准确的结论。得想法让电路处于动态工作中,一是采取相应措施,屏蔽掉变频器的相关故障检测功能,二是用某种方法验证驱动电路的输出能力,确认驱动电路输出的六路逆变脉冲信号,是完全符合要求的,于是对驱动电路的修复才能画上一个圆满的句号。

    驱动电路的检修,一定程度上决定了整机检修的成败。故障变频器无论表现出何种故障,最后的修复总是表现驱动电路六路驱动脉冲的正常输出!六路脉冲输出信号都有,但有缺陷,轻者机器不能正常工作,重者将有可能使逆变模块损坏,对驱动电路的检修,小心不为过!

 

一、驱动电路(由PC923、PC929组合)的构成和电路原理:

 

 

图4。9 由PC923、929构成的驱动电路

  

    上图为东元7200MA变频器 U相的驱动电路图。15kW以下的驱动电路,则由PC923、PC929经栅极电阻直接驱动IGBT,中、大功率变频器,则由后置放大器将驱动IC输出的驱动脉冲进行电流放大后,再输入IGBT的G、E极。

    驱动电路的电源电路,是故障检测的一个重要环节。不但要求其输出电压范围满足正常要求,而且要求其具有足够的电流(功率)输出能力——带负载能力。每一相的上、下IGBT驱动电路,因IGBT的触发回路不存在共电位点,驱动电路也需要相互隔离的供电电源。由开关电源电路中的开关变压器N1绕组输出的交流电压,经整流滤波成直流电压后,又由R68、ZD1(10V稳压管)简单稳压电路处理成正18V和负10V两路电源,供给驱动电路。电源的OV(零电位点)线接入了IGBT和E极,驱动IC的7、8脚则接入了28V的电源电压。

    光电耦合器的输入、输入侧应有独立的供电电源,以形成输入电流和输出电流的通路。PC2的2、3脚输入电流为+5V*提供。此处供电标记为+5V*,是为了和开关电源电路输出的+5V相区分。+5V*供电电路见下图图4。10。该电路可看作一简单的动态恒流源电路,R179为稳压管ZD7的限流电阻,稳压管的击穿电压值为3。5V左右。基极电流回路中稳压电路的接入,使流过Q8发射结的Ib维持一恒定值,进而使动态Ic也近似为恒定值。忽略Q8的导能压降,电路的静态输出电压为+5V,但动态输出电压值取决于所接负载电路的“动态电阻值”,而动态输出电流总是接近于恒定的,这就使得驱动电路内部发光二极管能维持一个较为恒定的光通量,从而使传输脉冲信号的“陡峭度”比较理想,使传输特性大为改善。

 

 

图4。10 驱动光耦输入侧供电电路

 

    电路工作原理简述(请参见图4。5的PC923、PC925内部电路):

    由CPU主板来的脉冲信号,经R66加到PC2的3脚,在输入信号低电平期间,PC2形成由+5V*、PC2的2、3脚内部发光二极管、信号源电路到地的输入电流通路,PC2内部输出电路的V1三极管导通,PC2的6脚输出高电平信号(18V峰值),经R65为驱动后置放大电路的Q10提供正向偏流,Q10的导通将正供电电压经栅极电阻R91引入到IGBT的G极,IGBT开通;在输入信号的高电平期间,PC2的3脚也为+5V高电平,因而无输入电流通路,PC2内部输出电路的V2三极管导通,6脚转为负压输出(10V峰值),也经R65为驱动后置放大电路的Q11提供了正向偏流,Q11的导通将供电的负10V电压——IGBT的截止电压经栅极电阻R91引入到IGBT的G极,IGBT关断。在待机状态,PC2的3脚输入信号一直维持在+5V高电平状态,则驱动电路一直输出-10V的截止电压,加到CN1触发端子上,IGBT一直维持于可靠的截止状态上。

    IGBT-射极间结电容的存在,对其开通和截止的控制过程,实质上是对IGBT-射极间结电容进行充、放电的过程,这个充、放电过程形成了一定的峰值电流,故功率较大的IGBT模块须由Q10Q11组成的互补式电路跟随放大器来驱动。

PC929驱动IC是兼有对驱动脉冲隔离放大和模块故障检测双重“身份”的。由CPU主板来的脉冲信号从1/23脚输入到PC923内部的光电耦合器,从11脚输出后,经Q13Q15两级互补式电压跟随器的功率放大后,引入IGBT2G极。此为驱动脉冲的信号传输电路路; PC9299脚为模块故障检测信号输入脚。正常工作状态下,PC92311脚输出正的激励脉冲电压,使Q13导通,Q15截止。Q13的导通,将正偏压加到IGBT2G极上,IGBT2进入饱合开通状态。忽略IGBT导通管压降的话,IGBT2的导通即将U输出端与负直流供电端N短接起来,提供输出交流电压的负半波通路,在导通期间,只要变频器是在额定电流以内运行,IGBT2的正常管压降应在3V以下。

PC9299脚内部电路与外接R76R77D24R73D27等元件构成了IGBT管压降检测电路,二极管D27和负极接入了IGBT2C极。PC929在发送激励脉冲的同时,内部模块检测电路与外电路配合,检测IGBT2的管压降,当IGBT2正常开通期间,忽略IGBT2的导通压降,U点电压与N点电压应是等电位的,N点与该路驱动电源的零电位点为同一条线。可以看到,D27的正向导通将a点电压也嵌位为零电位点,即PC9299脚无故障信号输入,IGBT模块OC信号输出8脚为高电平状态。当变频器的负载电路异常或IGBT2管子故障时,虽有激励偏压加到IGBT2G极,但严重过流状态(或管子已经开路性损坏),使IGBT2的管压降超过7V或更大,UN之间高电压差使D27于反偏截止,此时a点电压是由R73引入的、经R78D24R77分压的高于7V的电压值,经R76输入到PC9299脚。PC929内部IGBT保护电路起控,对IGBT进行强行软关断动作,同时控制8脚内部三极管导通,进而提供了PC4光电耦合器的输入电流,于是PC4将低电平的模块OC信号报与CPU,变频器实施OC故障保护停机动作。

IGBT模块管压降检测电路中的D24二极管和C48组成消噪电路,以避免负噪声干扰引起误码保护动作。

 让我们看一下驱动电路中R91R92的作用,实际电路中,这四只电阻因模块损坏带来的强电压冲击下,造成开路、短路和阻值变大的情况比比皆是,它在电路中究竟起到什么样的作用呢?

R91将驱动脉冲引入到IGBT管子的G极,表面看来,这是一只限流电阻,限制流入IGBT管子的驱动(充电)电流,因管子的开通速度越快越好,开通时间越短越好,电阻的阻值就不能太大,以避免与IGBT管子的输入结电容形成一个较大时间常数的延时电路,这是不希望出现的。但过激励也会导致IGBT的损坏。此电阻多为Ω级功率电阻,随变频器功率的增加其阻值而减小。此电阻还有一个“真名”,叫栅极补偿电阻,因为IGBT管子的触发引线有一定长度,触发脉冲又是数千赫兹的高频信号,所以有一定的引线电感存在,而引线电感会引起触发脉冲的畸变,产生 “电压过冲”现象,严重时会造成IGBT管子的误开通而造成损坏。接入R82可对引线电感有所补偿,尽量使引线呈现电阻特性而不是电感特性,有效缓解引线电感造成的电压过冲现象。

R92并接于IGBT管子的GE极间,第一个好处就是,将IGBT管子输入端的高阻状态变为低阻状态。我们新购得的IGBT逆变模块,出厂前是用短路线将GE极短接的,这样万一有异常电压(如静电)加到GE极时,短路线将很快将此一异常电压吸收,而避免了IGBT管子因输入端子遭受冲击而损坏。电路中并联R92也有同样的用处,在一定程度上将输入的“差分电压”变为了“共模电压”,消解了异常输入电压的冲击作用;R92对瞬态干扰有一定的作用,又可称之为“消噪电阻”;R92并接于IGBT管子的GE极间,与IGBTGE结电容相并联,此电阻又被称为“旁路电阻”,将瞬态干扰造成的对GE结电容的充电电流“旁路掉”,以避免其误开通。R92又形成了IGBT管子输入结电容的电荷泄放通路,能提高电荷的泄放速度,对于只采用单电压供电(无负供电电压)的驱动电路,此电阻的作用尤其重要。

二、驱动电路的故障特征:

    1、变频器上电显示正常,接受启动信号,即跳OC(过电流)、SC(短路)故障代码。

    故障原因:

A逆变模块有开路性损坏,先是击穿短路,炸裂后开路,或G、E间内部损坏,虽有触发信号引入,但IGBT不能正常开通,驱动电路的IGBT管压降检测到异常大的导通压降,报出OC故障。

B、驱动电路本身故障。a、无激励脉冲加到IGBT的触发端子,一是从CPU主板来的脉冲信号未能正常输入到驱动电路的输入端。二是驱动电路有元件损坏,阻断了脉冲信号的传输; b、驱动电路不能输出正常的驱动脉冲,多为电流输出能力不足。一是驱动IC的后置放大器低效,元件变值等。二是驱动供电不良,不能达到足够的电压幅值和输出足够的驱动电流,使IGBT不能被良好开通或处于导通与截止的临界点上,IGBT管压降检测电路检测到大于7V的管压降信号而报出OC故障。

    2、接受启动信号,即跳GF(接地故障)。变频器说明书中对接地故障的定义是,当负载电流大于额定电流的0.5倍左右时,即判断为GF故障。其实GF也是OC故障的一个别名。在报警层次上有所不同。GF故障在启动初始阶段报出。

    3、上电,变频器未接受启动信号,变频器在系统自检结束后,即报出OC故障。故障原因:

    A、变频器的三相输出电流检测电路损坏,误报过流故障,如电流互感器内部电路损坏,误报出严重过流故障;

    B、驱动电路的OC信号报警电路损坏,如PC929的8脚内部DMOS三极管短路,也会误报OC信号。

4、变频器上电后,既不跳OC、SC等故障代码,也拒绝所有操作,出现类似于程序进入死循环的“死机”现象,先不要轻易判断为CPU故障,可能为变频器上电检测到有OC信号输出,出于保护目的,故拒绝所有操作,以免造成人为的故障扩大。  

5、变频器上电,操作显示正常,启动后能在操作面板上监控到输出频率数值上升的现象,但U、V、W输出端子无电压输出,变频器也不报出OC故障,好像是“运行正常”。

    故障原因为驱动IC输入侧的+5V*供电电源丢失,六路驱动IC都无脉冲信号输入,驱动电路处于“待机”状态,IGBT管压降检测电路在“休息中”,并不向CPU返回OC信号。

    6、变频器空载或轻载运行正常,但带上一定负载后,出现电机振动、输出电压偏相、频跳OC故障等。

    故障原因:A、驱动电路的供电电源电流(功率)输出能力不足;B、驱动IC或驱动IC后置放大器低效,输出内阻变大,使驱动脉冲的电压幅度或电流幅度不足;C、IGBT低效,导通内阻变大,导通管压降增大。

三、PC923、PC929驱动电路的检修方法:

    本节检修,是指在脱开变频器主电路后的,对电源/驱动板的单独上电检修,整机连接条件下,可不敢对驱动电路这么动手啊,别说逆变电路有六只IGBT,有六十只IGBT也不够“报销”的。

    1、静态检测:

电路处于静止状态时,相对于+5V供电的地端,PC2的2、3脚电压都为5V,直接测量2、3脚之间电压差为0V;以驱动电源的OV为O电位参考点,CN1触发引线端子的1线应为-10V。PC923、PC929的脉冲输出脚和后置放大器的中点电压都为-10V。

    检测CN1端子的1线为OV,故障原因为A、驱动电源稳压二极管击穿短路;B、栅极电阻R91开路。

    检测CN1端子的1线为+18V左右,故障原因为A、PC2的后置放大电路中的Q10短路;B、PC2内部输出电路中的V1短路;C、检查PC2的2、3脚如有电压输入,如1、2V,故障原因为前级信号电路故障,使PC2形成了输入电流的通路。

    2、动态检测:

电路静态时测得CN1端子1线上有正常的-10V截止电压,及测量各静态工作点基本正常(其实各检测点都表现为供电电压),要进一步检查动态——对脉冲信号的传输能力,验证电路确无故障或使隐蔽故障暴露出来。

但接着碰到了麻烦事,因为在检修中电源/驱动板与主电路已经脱开,CN1、CN2触发端子是空置的,并未接入IGBT,而且在未查明驱动电路是否工作正常之前,也是绝不允许在IGBT接入530V直流供电的情况下,连接驱动电路并检查驱动电路的故障的。   

因为IGBT的脱开,驱动电路输出的脉冲无论正常与否,只要按一下操作面板的起动(FWD)或运行(RUN)按键,操作显示面板即跳出OC故障。原因在于驱动芯片PC929在脉冲信号传输期间,PC929的9脚内部电路与外部元件构成的IGBT管压降检测电路,因IGBT的未接入(相当于开路),而检测到极大的管压降信号,而向CPU报出OC信号,CPU采取了停机保护措施。必须采取相应手段,屏蔽掉驱动电路对IGBT管压降检测功能,令CPU正常发送六路脉冲,以利驱动电路的进一步检修。看下图电路——PC929驱动电路的IGBT管压降检测等效电路图:

   

 

 

图4。11 IGBT管压降检测等效电路图

 

    如果把IGBT看作一只开关的话,则在正向激励脉冲作用期间,这只开关是闭合状态的,b点电压也为0V, 嵌位二极管D1正向导通,将a点电压嵌位为0V,PC929的9脚因输入低电平信号,IGBT保护电路不起控,驱动电路正常传输脉冲信号;当IGBT开路性损坏或检修中脱开主电路后,同样在正向激励脉冲作用期间,D1反偏截止(在与主电路连接状态下)或因脱开主电路呈开路状态,则a点电压则上升为R1与R2对+18V和-10V的分压值,从两只电阻的阻值可看出,a点电压上升为近17V,PC929的9脚内部IGBT保护电路起控,Q3导通,由8脚输出OC信号,经光耦器件输入CPU,CPU报出OC故障,并停止了脉冲信号的输出。

    如果单纯将OC信号切断,如将图4、9中的PC4开路或短接PC2的1、2脚,以中断OC信号的输出,固然可以令CPU不停止脉冲信号的输出,但PC929中IGBT保护电路还处于起控状态,PC929仍无法正常输出驱动脉冲信号。正确的做法是:短接上图b、c点,即将D1的负极与OV供电引出线短接,人为造成“IGBT的正常导通状态”,“糊弄”一下IBGT管压降检测电路,使之在激励脉冲作用期间,能一直检测到IGBT的“正常状态”,内部保护电路不起控。

    在检修所有变频器的驱动电路板时,只有驱动电路本身有IBGT(管压降检测)保护电路,我们都可以找出上图电路中的b、c点并予以短接,就可以将驱动电路OC故障的报警功能屏蔽掉,对驱动电路进行脉冲传输状态的检查了。

    好了,短接b、c点,按动操作显示面板上的起动和停止按键,配合对输出脉冲电压的测量,驱动电路的隐蔽故障,便一一暴露无遗了。

    驱动电路动、静态电压变化是如此明显,无论用指针式万用表或数字式万用表、用直流电压档或交流电压档、直流电流档或交流电流档,都能测出明显的变化。以至于我们不必采用示波器,也能准确判断出驱动电路对脉冲信号的传输情况。测量数据如下表:

输入信号电压

PC923的2、3脚之间

直流电压档/停止

直流电压档/启动

交流电压档/停止

交流电压档/启动

0V

约0.2V

0V

约0.4V

输出信号电压

CN1端子/2线为OV

 

 

 

 

-10V

约+4V

0V

约16V

    注1:指针表的交流电压档,也能显示偏大的直流电压值,故在停机状态,仍显示一定电压值,但在启动状态,表笔马上反向指示。说明指针表的交流电压档,虽能测出信号电压的峰值,但仍能指示出电压的极性。用数字表,则能得出如上表的数据。

    注2:当驱动供电电压为+15V和-7.5V时,检测得出的输出侧的电压值也相应降低。

    注3:因电路元器件的离散性、各路驱动电源电压的差异、和不同型号变频器PWM(SPWM)脉冲波形的差异,测量所得出的动态电压值也会有较大的差异。如从触发端子测得交流电压值,其峰值往往大致接近供电电压值,一般只要满足在13V以上,IGBT就能可靠工作,六路脉冲电压的幅度也有所差异。所以即使同一种采用同一种驱动IC的不同型号的变频器,也可以测得不一样的结果。我们不必从数值的精确度上太过讲究,可完全从动、静态电压值、电压极性的明显变化上,判断出驱动电路的工作状态。

 

每一路驱动电路,都可以直接从驱动IC的两个输入脚检测输入信号,和从驱动信号的输出端子检测输出信号。

A若输入信号电压为零,则往前检测从CPU至驱动IC的信号传输电路;若有输入信号,CN1、CN2的输出信号端子则可能有以下几种情况:

    B、仍为-10V的固定负压。测PC923的6脚,也为-10V,驱动IC内部V2击穿,代换;测PC923的6脚有4V左右的正电压,故障为驱动IC后置放大器的Q11短路,更换。

    C、输出脉冲信号电压偏低。

a、用50V交流档测PC923的6脚电压,如过低,如仅为10V,对比测量一下PC929的输入2、3脚电压,如偏低,则往前检测从CPU至驱动IC的信号传输电路;如正常,故障可能为PC923内部输出电路的V1低效,代换PC923;

b、检测PC923的6脚交流电压值,达15V以上(+15V供电下,13V以上即为正常值),故障原因为R65、R91有阻值变大现象,更换。或Q11低效,更换。

 

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