1 引言
检修一台三菱f740 30kw变频器，送修故障为启动后跳过流，空载时不跳故障。接机后带1.5kw小电机试机，启动后不久即跳过流故障而停机，此时外部测量电流才2a左右，而机器自身检测数值不稳且最高达10a以上。按理说，如此小的马达根本不会有如此大的负载检测电流，即使是10a的负载检测电流亦不会使变频器跳过流故障而停机。
2 故障现象
拆机后通电，用et521a的示波功能监测电流传感器的输出波形正常，空载启动后波形也正常，但加上1.5kw的电机后测量时发现输出波形带有大量毛刺。象此种情况似乎不是传感器老化，这不符合霍尔电流传感器的老化规律。怀疑对象缩小到驱动电路上。转而测量驱动输出排线端波形，发现下桥臂驱动波形正常，但上桥臂中有些驱动波形出现如下图1所示的上升沿“振荡双峰”电压。
图1 上桥臂中部分驱动波形
这种现象很奇特，它既不是每个驱动波形都有这样的的“振荡双峰”电压，每个“振荡双峰”的电压幅度也不尽完全相同，但是都是以18v为中心点振荡，而且所有出现的不正常波形都在驱动的上升沿中。转而测量tlp351的⑤-⑥脚波形，发现正尖峰电压高达50多伏。如下图2所示：
图2 tlp351的⑤-⑥脚波形
本机驱动波形的开通正电压为18v左右，截止负电压为8v左右，也就是说整个正负电压也才为26v左右。tlp351为什么会出现高达50多伏的输出电压？在路测量各元器件基本上似乎都正常。
3 故障原因分析
3.1 驱动电路波形分析
业内部分维修员是怀疑什么就换什么，直到换出那些不能轻易被发现的老化元器件为止，有可能就这样把机器的故障最终给排除了，但往往不知道到底是哪里出了问题。笔者与之稍有不同，笔者希望在排除故障的同时，更希望能够在每修一台机时就弄懂弄透此类机器的故障电路原理，以期对故障原因做更好的分析与归纳，利于维修经验的总结与提高。对于比较简单的就在线参考印刷板上的pcb线路图，对于那些比较复杂的电路或者是疑难的故障就绘出原理图。做维修，我们要向外科医生学习，要像外科医生做手术一样，在动刀之前就摸清患者的基本情况，做好充分的准备，不必动的地方就不要多给一刀。
绘出本机该部分的驱动电路原理图如图3所示。
乍一看此电路确实挺别致的：一是增加了二极管d14，它能够把驱动方波脉冲电压箝位于电源电压上，可以给高于电源电压的干扰脉冲提供泄放通道，增强了抗干扰能力；二是将栅极电阻分别用r213、r214、r215并联及r217、r218、r219并联后，再置于igbt的充电与放电的独立回路中，而非直接串于栅极电路上，给igbt的充、放电提供不同的电流回路载体，此种“一分为二”的栅极电阻形式可以减小各支路电阻的功率，相对来说也就提高了igbt充、放电电路的可靠性。
图3 驱动电路原理图
3.2 揪出元凶——tlp351
以图3中的各元器件仔细分析，哪个或者是哪些元器件是造成此种异常的元凶？任何电路的正常工作除了与它的具体结构形式有关外，与它所采用的元器件具体型号更是密不可分。在此电路中，最大的“黑匣子”莫过于tlp351了。而且此“振荡双峰”电压是频率极高的，并且，它的出现规律是在上升沿。此电路中与高频率相关的主要是d47，tlp351与c123等等这些元件了。如果d47等等损坏不会出现单纯的上升沿异常现象。另外，c123的本职工作就是用来稳定tlp351内部的高增益线性放大器的正常工作的。那首先检测c123，拆焊下来测量容量正常，换一新品上去故障依旧。那么极可能是tlp351了，如果它内部的工作点发生漂移，并且外部“触发条件满足”时也能使增益极高的内部放大器构成自激的现象。更换一正品tlp351上去后，该路波形正常，另二路换新，全部正常了。正常波形如图4所示。
3.3 故障原因分析
故障已经排除，但我心中的疑惑远未消除——为什么会有如此奇特的故障现象？带着这个疑问，并且在已经得到验证的前提下，笔者尝试做如下推理。
tlp351内部输出部分是一个增益极高的线性放大器，在工作时会产生陡峭的di/dt，因而它的正常工作需要外部电容c123的正常充放电方能保证内部放大器不产生自激振荡。但本机中的c123并未出现异常，为何也会导致tlp351自激？前面说了如果它内部的工作点发生漂移，并且外部“触发条件满足”时也能构成自激的现象。从et521a测得的波形分析，本机的驱动脉冲频率为2khz，开关电源采用m51996fp，它的工作频率在130 khz左右，是驱动载频的数十倍。在每一个驱动脉冲方波中都有数十个电流脉冲波向驱动电路充入电流。笔者再大胆假设，如果驱动脉冲波的上升沿刚好与充电电流脉冲波上升沿重叠或者是产生某一相位上的重叠关系时，tlp351内部高增益放大器便产生自激，此时tlp351俨然构成了一个“受控电流源”，以接近电源电压26v为基点与外部电路中的电容c123及各种寄生电感（在此高频下电解电容也会呈现相当程度的“电感性质”）产生谐振。因自激振荡必然导致tlp351内部输出端上、下管交替导通，在tlp351的⑤-⑥脚出现以26v为中心点的对称谐振波，此时电容c123两端便可产生高达50v以上的谐振电压。在经过tr3、tr4的转换（转换的是直流电平相对位移）并放大（放大的是电流而非电压）后自然会转化为以18v为中心点的“正负双峰电压”。同时，此自激振荡的频率约为1mhz多，远远高于开关电源的工作频率。当自激振荡从下管转换到上管导通后，也就是振荡完成一个周期后，tlp351内部放大器进入同样陡峭的di/dt上升沿时，但是此时的充电电流尝处于同一个电流脉冲波的“平顶”阶段，所以自激振荡的触发条件消失而停止振荡。谐振电压本来就因c123等产生并存在于其两端，d14的钳位作用自然也就“水涨船高”而无法起到设计者所设计的钳位于正常时18v电压上的效果。
由以上推理分析不难看出，当tlp351内部的高增益放大器工作点发生漂移时，并在外部触发条件下成为一个“受控电流源”后，不但它的自激振荡及振荡幅度完全受该触发条件的控制，同时也与外部电路密切相关。当驱动脉冲的上升沿与充电电流脉冲的上升沿完全重叠时，此时的自激最强，振荡幅度最大；当相位稍稍偏移时，自激减弱，振荡幅度减小；当相位相差更大时，tlp351的自激触发条件消除，输出波形正常。按照笔者的推理思路，如果使用双踪示波器甚至电流型示波器应该可以方便地验证，无奈笔者没有此类仪器实验而仅为推论。
图4 正常驱动波形
这样它跳过流的原因也很好解释了，当没有带负载时，它的电流输出为0，电流传感器检测不到电流而没有跳故障。当带电机时，哪怕是很小的电流，高灵敏度的电流传感器就能捕捉到igbt的瞬间过流现象而保护停机。
3.4 找出tlp351早夭的原因
驱动波形虽然已经正常了，但后续工作对我来说并没有结束。为什么会导致tlp351早夭？或者说它的工作状态只是稍微的发生了一点偏移就在外电路的干扰下产生了自激振荡？笔者认为除了它自身的内部结构原因外，或许还有另外一个更重要的外部条件，那就是本机中的c123身兼数职！它不仅要吸收tlp351正常工作时带来的高频脉冲，同时还要对来自开关电源的高频脉冲进行滤波。不知设计者对“栅极电阻”的处理上采用“一分为二”，而在此处却又以“合二为一”的方式处理做何解释？
3.5 电路的进一步完善措施
最后笔者在电解电容c56、c55的两端以及c56正极与c55负极间各加焊1个100nf的贴片电容。如图5所示。
图5
笔者认为，一是可以减小开关电源的高频脉冲充电电流对tlp351的干扰；二是当tlp351的内部放大器工作点发生轻微漂移时，希望它们会破坏掉外部电路的谐振条件。从防止干扰到破坏谐振，在造成tlp351自激振荡要素中以两个最关键的条件着手，以期延长tlp351正常工作的时间。
也许有人认为这是笔者自以为是的自作主张，以笔者说来，笔者就曾多次对三菱变频器实行过“改造”。笔者在维修该品牌的大功率变频器时，发现整流桥很容易损坏及主电路上多处有打火痕迹，笔者认为是充电电阻采用2个15ω的功率电阻并联的做法欠妥，导致开机充电时浪涌电流过大所至，所以经笔者维修过的此类变频器一律由并联改为串联，把充电电阻的阻值由原来并联时的阻值7.5ω变为串联后的阻值30ω，通过如此“改造”后既改善了开机充电时浪涌电流对整流桥及电容等等的冲击，又不增加成本，同时对变频器的调速性能没有造成任何的影响。
