某光電裝備電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路失效分析

蘆 峰，宋曉明，沈 韓，何玉蘭，李廣良

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所 陜西 西安 710065）

某光電裝備電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路失效分析

蘆 峰，宋曉明，沈 韓，何玉蘭，李廣良

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所 陜西 西安 710065）

驅(qū)動(dòng)電路的性能很大程度上影響整個(gè)系統(tǒng)的工作性能。驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)中主要考慮功能和性能等方面的因素。本文首先介紹了某平臺(tái)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，然后就實(shí)際工作及實(shí)驗(yàn)中驅(qū)動(dòng)電路出現(xiàn)的失效信息作以分析，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行總結(jié):導(dǎo)致樣品失效原因是由于電機(jī)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)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。最后并提出了解決方案。

驅(qū)動(dòng)電路；失效分析；H橋；PWM

驅(qū)動(dòng)電路的性能很大程度上影響整個(gè)系統(tǒng)的工作性能。驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)中主要考慮功能和性能等方面的因素，例如電機(jī)是單向還是雙向轉(zhuǎn)動(dòng)、需不需要調(diào)速等等。對(duì)于單向的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，只要用一個(gè)大功率三極管或場(chǎng)效應(yīng)管或繼電器直接帶動(dòng)電機(jī)即可，當(dāng)電機(jī)需要雙向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可以使用由4個(gè)功率元件組成的H橋電路或者使用一個(gè)雙刀雙擲的繼電器。如果不需要調(diào)速，只要使用繼電器即可；但如果需要調(diào)速，可以使用三極管，場(chǎng)效應(yīng)管等開(kāi)關(guān)元件實(shí)現(xiàn)PWM（脈沖寬度調(diào)制）調(diào)速[1－5]。

我某平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)電路為雙極性驅(qū)動(dòng)方式，利用H橋驅(qū)動(dòng)電路和PWM控制實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)正反兩個(gè)方向的調(diào)速控制和伺服控制。由于H橋驅(qū)動(dòng)電路和PWM調(diào)速的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路存在共態(tài)導(dǎo)通、反向制動(dòng)電流過(guò)大等一些問(wèn)題，在實(shí)際工作和實(shí)驗(yàn)中，會(huì)遇到驅(qū)動(dòng)電路失效問(wèn)題。下面，就幾種經(jīng)常出現(xiàn)的失效現(xiàn)象對(duì)驅(qū)動(dòng)電路作以失效性分析。

1 某平臺(tái)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

1.1 功率驅(qū)動(dòng)電路部分

控制信號(hào)經(jīng)過(guò)比較器產(chǎn)生方波，經(jīng)過(guò)如圖1所示電路輸出（H1～H4）到功率模塊。通過(guò)計(jì)算機(jī)控制繼電器的吸合，為功率模塊供電，功率模塊輸出控制信號(hào)到機(jī)構(gòu)。

圖1 功率驅(qū)動(dòng)電路Fig.1 Power driving circuit

1.2 功率模塊部分

該設(shè)備功率模塊采用東芝某型號(hào)功率模塊，模塊內(nèi)部電路構(gòu)成是典型的“H橋驅(qū)動(dòng)電路”。電路得名于“H橋驅(qū)動(dòng)電路”是因?yàn)樗男螤羁崴谱帜窰。4個(gè)三極管組成H的4條垂直腿，而電機(jī)就是H中的橫杠。

如圖2所示，H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括4個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對(duì)角線上的一對(duì)三極管。根據(jù)不同三極管對(duì)的導(dǎo)通情況，電流可能會(huì)從左至右或從右至左流過(guò)電機(jī)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向[6]。

圖2 H橋驅(qū)動(dòng)電路Fig.2 H bridge driver circuit

要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須使對(duì)角線上的一對(duì)三極管導(dǎo)通[7]。例如，如圖3所示，當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)通時(shí)，電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過(guò)電機(jī)，然后再經(jīng)Q4回到電源負(fù)極。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)三極管Q1和Q4導(dǎo)通時(shí)，電流將從左至右流過(guò)電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)按特定方向轉(zhuǎn)動(dòng) （電機(jī)周圍的箭頭指示為順時(shí)針?lè)较颍．?dāng)三極管Q2和Q3導(dǎo)通時(shí)，電流將從右至左流過(guò)電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)沿另一方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖3 H橋電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)Fig.3 H bridge circuit to drive the motor clockwise rotation

2 常見(jiàn)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(wèn)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(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，而正常時(shí)電機(jī)在沒(méi)有輸入信號(hào)的情況下應(yīng)該停在當(dāng)前位置。

分析：驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，保證H橋上2個(gè)同側(cè)的三極管不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通非常重要。如圖2所示，如果三極管Q1和Q2同時(shí)導(dǎo)通，那么電流就會(huì)從正極穿過(guò)2個(gè)三極管直接回到負(fù)極。此時(shí)，電路中除了三極管外沒(méi)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(shí)候，電機(jī)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，導(dǎo)致2個(gè)功率模塊均有一個(gè)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(shí)由于擊穿短路的瞬間大電流，造成固體繼電器過(guò)電流燒毀短路。當(dāng)儀器再開(kāi)機(jī)器的時(shí)候，由于被擊穿的2個(gè)三級(jí)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(kāi)機(jī)后自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.2 失效信息2及分析

信息2：樣品在正常工作過(guò)程中，發(fā)出控制信號(hào)后，發(fā)現(xiàn)電機(jī)仍舊保持原有的轉(zhuǎn)動(dòng)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(guò)程中電機(jī)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，導(dǎo)致2個(gè)功率模塊均有一個(gè)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(shí)，三極管依然處于導(dǎo)通狀態(tài)，電機(jī)無(wú)法停止轉(zhuǎn)動(dòng)，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(hào)后也處于在導(dǎo)通狀態(tài)，這時(shí)候兩功率模塊的四個(gè)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(guò)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(shí)間后，發(fā)出控制信號(hào)后，發(fā)現(xiàn)電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)。

分析：儀器正常工作電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)導(dǎo)致至少一個(gè)三極管表面擊穿，在發(fā)出其他控制信號(hào)時(shí)候，電源與地短路，導(dǎo)致電機(jī)無(wú)動(dòng)作，功率模塊與繼電器燒毀，同時(shí)圖1中的V3或V4也被擊穿，過(guò)大的電流還會(huì)導(dǎo)致該通路上的電阻過(guò)熱發(fā)黑。

3 問(wèn)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(dòng)勢(shì)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。可能有以下原因：

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(zhǎng)期的潮濕環(huán)境存放水汽進(jìn)入芯片表面，這個(gè)是造成表面擊穿的可能原因。

2）對(duì)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，Q 1，Q 2，Q3，Q4經(jīng)常處于交替工作狀態(tài)，由于晶體管的關(guān)斷過(guò)程中有一段存儲(chǔ)時(shí)間和電流下降時(shí)間，總稱關(guān)斷時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)，晶體管并沒(méi)完全關(guān)斷。若在此期間，另一個(gè)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(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有訓(xùn)練或任務(wù)情況時(shí)，除了保持艙內(nèi)干燥意外，還應(yīng)定期打開(kāi)機(jī)箱的風(fēng)扇對(duì)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(shí)電路增加時(shí)延，以使H橋電路上、下兩管交替導(dǎo)通時(shí)可產(chǎn)生一個(gè) “死區(qū)時(shí)間”，先關(guān)后開(kāi)，防止上、下兩管直通現(xiàn)象。

3）布線時(shí)大電流線路要盡量的短粗，并且盡量避免經(jīng)過(guò)過(guò)孔，一定要經(jīng)過(guò)過(guò)孔的話要把過(guò)孔做大一些 （>1 mm）并且在焊盤(pán)上做一圈小的過(guò)孔，在焊接時(shí)用焊錫填滿，否則可能會(huì)燒斷。另外，如果使用了穩(wěn)壓管，場(chǎng)效應(yīng)管源極對(duì)電源和地的導(dǎo)線要盡可能的短粗，否則在大電流時(shí)，這段導(dǎo)線上的壓降可能會(huì)經(jīng)過(guò)正偏的穩(wěn)壓管和導(dǎo)通的三極管將其燒毀[7]。

4）為了提高電力的可靠性，必須設(shè)置緩沖電路軟化開(kāi)關(guān)過(guò)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(kāi)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(guò)對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的失效性分析，讓我們更加深刻地認(rèn)識(shí)到驅(qū)動(dòng)電路的可靠性的重要性。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)應(yīng)該盡可能做到，無(wú)論加上何種控制信號(hào)，何種無(wú)源負(fù)載，電路都是安全的。

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The invalidation analysis on the driving circuit in a photoelectric system

LU Feng， SONG Xiao-ming， SHEN Han， HE Yu-lan， LI Guang-liang
（Xi’an Institute of Applied Optics， Xi’an 710065， China）

The driving circuit affects the behaviour of the system on a great degree.The factors such as function are considered in design of driving mainly.At first， the driving circuit used by navy is introduced in this paper， and then some analysis about the invalidation in the job and experiment is discussed，and a summary on problem is carried out:the reason why the sample become invalid is that the opposing electromotive force which is produced by the motor Leads to the surface puncture of the audion，so the power module and the field are in short circuit，and the current is creasing actually which destroys the module as well as audion.At last，the solutions are given.

driving circuit； invalidation analysis； H bridge； PWM

TP13

A

1674－6236（2013）08－0020－02

2012－11－17稿件編號(hào)201211142

蘆 峰（1979—），男，河南南陽(yáng)人，碩士研究生。研究方向：伺服控制器設(shè)計(jì)。