4.1/ DIPIPM故障排查及失效判定

本章是DIPIPM技術(shù)講座的第4章，前面3章中分別介紹了DIPIPM的發(fā)展歷史、結(jié)構(gòu)與功能、電路選型及應(yīng)用。本章作為本次技術(shù)講座的最后一章將側(cè)重于介紹與DIPIPM失效相關(guān)內(nèi)容。DIPIPM產(chǎn)品作為逆變電路的關(guān)鍵器件，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生異常時(shí)，快速排查及判定模塊是否失效及造成失效的初步原因，對(duì)于減少產(chǎn)線及市場(chǎng)失效率至關(guān)重要，可以大大減少因產(chǎn)品失效導(dǎo)致的損失。本節(jié)4.1將圍繞如何查找DIPIPM的故障及如何迅速對(duì)DIPIPM是否損壞進(jìn)行判定，以縮短DIPIPM故障分析及解決時(shí)間。

4.1.1

DIPIPM在PCB板上的故障排查

在DIPIPM設(shè)計(jì)、調(diào)試、使用中最常見的故障是DIPIPM不輸出電壓也無(wú)法驅(qū)動(dòng)負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)，這種情況下，工程師最想弄明白的是DIPIPM模塊是否已經(jīng)損壞了。如何判定在PCB上的DIPIPM是否損壞了呢？下面幾個(gè)步驟將有助于回答這個(gè)問(wèn)題。

步驟一：PCB斷電后，進(jìn)行目視檢查。如果DIPIPM封裝結(jié)構(gòu)或端子有明顯的損傷、變形、開裂、放電痕跡等可基本判定DIPIPM失效，這時(shí)不要再次上電，以防止進(jìn)一步損壞。如果目視外觀檢查沒有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，可以采用萬(wàn)用表對(duì)DIPIPM的各端口進(jìn)行通斷測(cè)試，測(cè)試方法如下圖1所示。

圖1 DIPIPM萬(wàn)用表通斷測(cè)試

使用萬(wàn)用表進(jìn)行通斷測(cè)試時(shí)，可以采用電阻檔或二極管檔進(jìn)行測(cè)量，由于部分DIPIPM端口特別是輸出U?V?W端子具有二極管特性，因此采用萬(wàn)用表的二極管檔進(jìn)行通斷測(cè)試更有效也更直觀。如果發(fā)現(xiàn)某一端口對(duì)地為短路或斷路狀態(tài)，且該端口周邊元器件沒有短路，則基本判定DIPIPM的這個(gè)端口損壞。如果采用萬(wàn)用表測(cè)量正常，則可以進(jìn)入步驟二，進(jìn)行DIPIPM工作波形測(cè)試。

步驟二：在用萬(wàn)用表初步測(cè)試正常后，可以對(duì)DIPIPM及PCB控制板上電，對(duì)工作波形進(jìn)行測(cè)試。DIPIPM具有Fo(故障信號(hào))輸出功能，其目的是在DIPIPM檢測(cè)到諸如控制電源欠壓、過(guò)流、過(guò)溫時(shí)自動(dòng)切斷下橋臂IGBT，并在模塊Fo端口輸出低電平信號(hào)來(lái)通知MCU關(guān)閉PWM信號(hào)以保護(hù)DIPIPM模塊。DIPIPM Fo端口電路結(jié)構(gòu)如下圖2所示。

圖2 DIPIPMFo端口電路結(jié)構(gòu)

波形測(cè)試的目的是驗(yàn)證DIPIPM波形是否正常及是否存在Fo輸出。波形測(cè)試通常采用示波器進(jìn)行測(cè)量。首先需要測(cè)量的是DIPIPM Fo管腳在上電開機(jī)后是否存在低電平故障信號(hào)輸出。正常狀態(tài)下，DIPIPM Fo管腳是高電平，在發(fā)生故障時(shí)，DIPIPM管腳會(huì)輸出低電平信號(hào)。圖3是一個(gè)模塊DIPIPM Fo管腳輸出故障信號(hào)的波形例。

圖3 DIPIPM輸出故障信號(hào)例

如果用示波器檢測(cè)到了如圖3所示的Fo管腳的下拉信號(hào)，則說(shuō)明DIPIPM不輸出是因?yàn)镈IPIPM自身檢測(cè)到了異常，觸發(fā)了Fo信號(hào)，DIPIPM關(guān)閉了下橋臂的3路IGBT，從而導(dǎo)致DIPIPM無(wú)輸出。檢測(cè)到了故障信號(hào)，再進(jìn)一步需要通過(guò)示波器測(cè)量是哪些因素導(dǎo)致的Fo故障信號(hào)輸出。通常對(duì)于DIPIPM有3個(gè)因素可以導(dǎo)致Fo故障信號(hào)輸出，過(guò)電流、控制電源欠壓、過(guò)溫。下面分別對(duì)這幾個(gè)因素進(jìn)行分析。

A 過(guò)電流

過(guò)電流是最常見的導(dǎo)致DIPIPM產(chǎn)生Fo故障信號(hào)的原因。DIPIPM內(nèi)部配置的LVIC具有短路電平檢測(cè)功能，當(dāng)流過(guò)旁路電阻的電流超過(guò)其保護(hù)電流限值（如1.7倍的額定電流）時(shí)，會(huì)在旁路電阻上產(chǎn)生壓降，該電壓經(jīng)過(guò)RC濾波器輸入到DIPIPM的電平檢測(cè)端口Cin，當(dāng)電壓幅度超過(guò)一定限值（如0.48V）,DIPIPM將輸出Fo故障信號(hào)。下圖4是過(guò)電流檢測(cè)的硬件電路。過(guò)電流檢測(cè)電路中的RC濾波器有助于濾除線路產(chǎn)生的噪聲，當(dāng)線路布線電感較大時(shí)，容易在線路上引入噪聲，該噪聲也容易使Cin端口電壓超過(guò)過(guò)電流檢測(cè)限值，從而導(dǎo)致誤觸發(fā)，誤觸發(fā)可以通過(guò)示波器檢測(cè)主回路電流來(lái)排除。圖5是過(guò)電流保護(hù)的動(dòng)作時(shí)序圖。采用示波器測(cè)試時(shí)，需要同時(shí)監(jiān)控Fo故障信號(hào)和流過(guò)IGBT的電流，當(dāng)輸出Fo故障信號(hào)的時(shí)刻同時(shí)出現(xiàn)IGBT電流上升超過(guò)設(shè)定過(guò)電流保護(hù)限值的情況下，可以判定故障信號(hào)Fo是由過(guò)電流保護(hù)引起。

圖4 DIPIPM過(guò)電流保護(hù)電路

圖5 DIPIPM過(guò)電流保護(hù)動(dòng)作時(shí)序圖

B 控制電源欠壓

電源的穩(wěn)定性對(duì)于DIPIPM的可靠運(yùn)行至關(guān)重要。當(dāng)15V控制電源異常時(shí)，DIPIPM內(nèi)部的IGBT運(yùn)行狀態(tài)會(huì)受到很大影響，某些情況下，會(huì)導(dǎo)致DIPIPM的損壞。DIPIPM內(nèi)部的LVIC具備欠壓保護(hù)功能，當(dāng)15V控制電源低于限值時(shí)，DIPIPM會(huì)進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，關(guān)閉下橋臂3個(gè)IGBT的同時(shí)輸出Fo故障信號(hào)。下圖6是控制電源欠壓的控制保護(hù)時(shí)序圖。需要注意的是對(duì)于上橋臂自舉電壓欠壓保護(hù)，不會(huì)產(chǎn)生故障信號(hào)Fo輸出。采用示波器測(cè)試時(shí)，需要同時(shí)監(jiān)控Fo故障信號(hào)和控制15V電源電壓，當(dāng)輸出Fo故障信號(hào)的時(shí)刻同時(shí)出現(xiàn)15V電源電壓下降到欠壓保護(hù)觸發(fā)電平的情況，可以判定故障信號(hào)Fo是由15V電源欠壓引起。

圖6 DIPIPM控制電源欠壓保護(hù)時(shí)序圖

C 過(guò)溫保護(hù)

為了使DIPIPM模塊溫升不超過(guò)IGBT結(jié)溫最大值，DIPIPM具備溫度輸出保護(hù)功能。對(duì)于三菱電機(jī)不同系列的產(chǎn)品溫度保護(hù)的方式不同。部分產(chǎn)品具有溫度保護(hù)功能；部分產(chǎn)品具有溫度模擬量輸出功能；部分產(chǎn)品同時(shí)具有溫度保護(hù)和溫度模擬量輸出功能（如SLIMDIP系列）。只有具備溫度保護(hù)功能的模塊具有過(guò)溫保護(hù)故障信號(hào)輸出功能，而僅具有溫度模擬量輸出功能的模塊不具有過(guò)溫保護(hù)故障信號(hào)輸出功能（如PSS**S92F6-AG）。采用示波器測(cè)試時(shí)，需要同時(shí)監(jiān)控Fo故障信號(hào)和LVIC或Tc(殼溫)溫度，當(dāng)輸出Fo故障信號(hào)的時(shí)刻同時(shí)出現(xiàn) LVIC或Tc(殼溫)溫度上升至保護(hù)觸發(fā)溫度的情況，可以判定故障信號(hào)Fo是由過(guò)溫引起。下圖7是過(guò)溫保護(hù)觸發(fā)Fo故障信號(hào)的動(dòng)作時(shí)序圖。

圖7 DIPIPM溫度保護(hù)動(dòng)作時(shí)序圖

通過(guò)示波器測(cè)試DIPIPM工作波形可以對(duì)故障信號(hào)Fo產(chǎn)生的原因進(jìn)行判定，一般來(lái)說(shuō)，過(guò)流引起的Fo故障存在兩種情況，一種情況是誤動(dòng)作或干擾，這種情況下，DIPIPM沒有損壞；另外一種情況是DIPIPM發(fā)生了物理性損壞，物理性損壞的大多情況下，用萬(wàn)用表可以測(cè)量出來(lái)。對(duì)于控制電源欠壓引起的故障信號(hào)Fo，DIPIPM一般不會(huì)損壞；對(duì)于過(guò)溫引起的故障信號(hào)Fo，DIPIPM可能存在過(guò)溫?fù)p壞的情況，即使DIPIPM可以正常工作，也不建議繼續(xù)使用這個(gè)模塊。

4.1.2

DIPIPM單體測(cè)試

當(dāng)DIPIPM在PCB板上采用萬(wàn)用表測(cè)試，發(fā)現(xiàn)DIPIPM端口阻值異常時(shí)，無(wú)法準(zhǔn)確判定到底是DIPIPM本身?yè)p壞還是PCB上的其他線路異常導(dǎo)致，這時(shí)需要將DIPIPM從線路板上拆下，使用萬(wàn)用表進(jìn)行單獨(dú)阻值測(cè)量對(duì)比，來(lái)更準(zhǔn)確地測(cè)量DIPIPM是否損壞。測(cè)量方法是根據(jù)圖1中所示管腳方式，測(cè)量阻值并與確定的良品對(duì)應(yīng)管腳阻值進(jìn)行比較。由于不同的樣品偏差，同時(shí)不同類型的萬(wàn)用表可能內(nèi)置電源電壓不同，因此參考的對(duì)比偏差在50%~100%以內(nèi)可以認(rèn)為是正常的。

表1 管腳阻值測(cè)量比較法

以上的方式已經(jīng)能夠?qū)Υ蟛糠质纷龌A(chǔ)的判定了，某些特殊情況下，例如靜電導(dǎo)致的微小損壞，需要進(jìn)行額外的功能測(cè)試來(lái)對(duì)DIPIPM的好壞進(jìn)行判定。這個(gè)時(shí)候我們還需要一個(gè)直流電源，通常大家都有低壓可調(diào)的直流電源，如下圖8所示。

圖8 測(cè)試用電源及萬(wàn)用表

主要的功能測(cè)試項(xiàng)目如下表2所列，如果能夠從系統(tǒng)報(bào)警中判斷固定相位或功能故障，則可以直接測(cè)試對(duì)應(yīng)的功能項(xiàng)目。

表2 功能測(cè)試簡(jiǎn)易方法

上述測(cè)量方法旨在通過(guò)給DIPIPM施加相應(yīng)的電源和控制信號(hào)，采用萬(wàn)用表檢測(cè)模塊輸出是否正常，來(lái)判斷模塊是否損壞。這種基本的功能測(cè)試使用的是常用的檢測(cè)設(shè)備，方便快捷。

4.1.3

DIPIPM故障排查及失效判定總結(jié)

在DIPIPM設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)及使用過(guò)程中出現(xiàn)的故障，通過(guò)示波器、直流電源及萬(wàn)用表等簡(jiǎn)單儀器可以基本判斷出DIPIPM是否損壞。在實(shí)際應(yīng)用中也確實(shí)存在采用上述方法無(wú)法判定DIPIPM是否損壞的情形，這種情況往往發(fā)生在DIPIPM的損壞極其微小，采用常規(guī)儀器無(wú)法判定的情況，這種情況下，可以將樣品返還給生產(chǎn)商采用更專業(yè)的設(shè)備進(jìn)行分析。對(duì)于DIPIPM發(fā)生的故障，判定DIPIPM是否損壞只是解決問(wèn)題的第一步，造成故障的根本原因及如何解決才是最終目的，接下來(lái)的章節(jié)將繼續(xù)圍繞故障原因分析及解決措施展開講座。敬請(qǐng)期待。

審核編輯：劉清