某光電裝備電機(jī)驅(qū)動電路失效分析

2 常見失效信息及失效分析
2．1 失效信息1及分析
信息1：樣品所在儀器在出問題的前一天正常關(guān)機(jī)，第二天儀器加電，就出現(xiàn)電機(jī)自動轉(zhuǎn)動，而正常時電機(jī)在沒有輸入信號的情況下應(yīng)該停在當(dāng)前位置。
分析：驅(qū)動電機(jī)時，保證H橋上2個同側(cè)的三極管不會同時導(dǎo)通非常重要。如圖2所示，如果三極管Q1和Q2同時導(dǎo)通，那么電流就會從正極穿過2個三極管直接回到負(fù)極。此時，電路中除了三極管外沒有其他任何負(fù)載，因此電路上的電流就可能達(dá)到最大值(該電流僅受電源性能限制)，甚至燒壞三極管。
在儀器正常關(guān)機(jī)的時候，電機(jī)產(chǎn)生反電動勢，導(dǎo)致2個功率模塊均有一個三極管芯片發(fā)生表面擊穿，如圖2中的Q1、Q4或者Q2、Q3三極管，同時由于擊穿短路的瞬間大電流，造成固體繼電器過電流燒毀短路。當(dāng)儀器再開機(jī)器的時候，由于被擊穿的2個三級管和固體繼電器已經(jīng)短路，形成回路給電機(jī)供電，導(dǎo)致儀器在開機(jī)后自動轉(zhuǎn)動。
2．2 失效信息2及分析
信息2：樣品在正常工作過程中，發(fā)出控制信號后，發(fā)現(xiàn)電機(jī)仍舊保持原有的轉(zhuǎn)動方向，檢查電機(jī)控制電路發(fā)現(xiàn)在控制電路中的功率模塊發(fā)熱異常。
分析：儀器正常工作，在工作過程中電機(jī)產(chǎn)生反電動勢，導(dǎo)致2個功率模塊均有一個三極管芯片發(fā)生表面擊穿，如圖2中的Q1、Q4或者Q2、Q3三極管，當(dāng)發(fā)出電機(jī)改變方向控制命令時，三極管依然處于導(dǎo)通狀態(tài)，電機(jī)無法停止轉(zhuǎn)動，但由于另一控制電機(jī)反方向的兩功率管接受了改變方向的信號后也處于在導(dǎo)通狀態(tài)，這時候兩功率模塊的四個功率芯片都處在導(dǎo)通態(tài)，導(dǎo)致電源端與地短路，產(chǎn)生成倍的短路大電流，功率模塊發(fā)熱異常，最終燒毀，過大的電流導(dǎo)致繼電器燒毀。
2．3 失效信息3及分析
信息3：儀器在加電工作一段時間后，發(fā)出控制信號后，發(fā)現(xiàn)電機(jī)不轉(zhuǎn)動。
分析：儀器正常工作電機(jī)的反電動勢導(dǎo)致至少一個三極管表面擊穿，在發(fā)出其他控制信號時候，電源與地短路，導(dǎo)致電機(jī)無動作，功率模塊與繼電器燒毀，同時圖1中的V3或V4也被擊穿，過大的電流還會導(dǎo)致該通路上的電阻過熱發(fā)黑。

3 問題總結(jié)及解決方案
導(dǎo)致樣品失效原因是由于電機(jī)產(chǎn)生的反電動勢使功率模塊內(nèi)部的三極管芯片產(chǎn)生表面擊穿，致使電源與地短路，產(chǎn)生大電流導(dǎo)致功率模塊與繼電器以及三極管燒毀?？赡苡幸韵略颍?br /> 1)功率模塊是非密封結(jié)構(gòu)，雖然內(nèi)部有硅橡膠和硅凝膠保護(hù)，但不能完全阻斷長期的潮濕環(huán)境存放水汽進(jìn)入芯片表面，這個是造成表面擊穿的可能原因。
2)對圖2電路的分析可知，根據(jù)電機(jī)運(yùn)行脈沖分配的要求，Q1，Q2，Q3，Q4經(jīng)常處于交替工作狀態(tài)，由于晶體管的關(guān)斷過程中有一段存儲時間和電流下降時間，總稱關(guān)斷時間，在這段時間內(nèi)，晶體管并沒完全關(guān)斷。若在此期間，另一個晶體管導(dǎo)通，則造成上、下兩管直通而使電源短路，燒壞晶體管或其他元器件。
解決方案如下：
1)由于設(shè)備工作環(huán)境比較潮濕，在長時間沒有訓(xùn)練或任務(wù)情況時，除了保持艙內(nèi)干燥意外，還應(yīng)定期打開機(jī)箱的風(fēng)扇對設(shè)備進(jìn)行除濕；
2)為了避免直通現(xiàn)象，可調(diào)節(jié)邏輯延時電路增加時延，以使H橋電路上、下兩管交替導(dǎo)通時可產(chǎn)生一個“死區(qū)時間”，先關(guān)后開，防止上、下兩管直通現(xiàn)象。
3)布線時大電流線路要盡量的短粗，并且盡量避免經(jīng)過過孔，一定要經(jīng)過過孔的話要把過孔做大一些(>1 mm)并且在焊盤上做一圈小的過孔，在焊接時用焊錫填滿，否則可能會燒斷。另外，如果使用了穩(wěn)壓管，場效應(yīng)管源極對電源和地的導(dǎo)線要盡可能的短粗，否則在大電流時，這段導(dǎo)線上的壓降可能會經(jīng)過正偏的穩(wěn)壓管和導(dǎo)通的三極管將其燒毀。
4)為了提高電力的可靠性，必須設(shè)置緩沖電路軟化開關(guān)過程。合理的緩沖電路不但降低了功率器件的浪涌電壓du／dt和浪涌電流di／ dt，而且還降低了器件的開關(guān)損耗和電磁干擾，避免了器件的二次擊穿。

4 結(jié)論
通過對電機(jī)驅(qū)動電路的失效性分析，讓我們更加深刻地認(rèn)識到驅(qū)動電路的可靠性的重要性。電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計應(yīng)該盡可能做到，無論加上何種控制信號，何種無源負(fù)載，電路都是安全的。