柴油發(fā)電機組金屬軸承運行中調(diào)速控制器失效分析方法探討

王中鋒，付小霞

（山東省港口集團濰坊港有限公司 國網(wǎng)山東省電力公司濰坊供電公司，山東 濰坊 262737）

1 柴油發(fā)電機組金屬軸承運行中調(diào)速控制器失效點分析

針對因失效故障退回的電子調(diào)速控制器，結(jié)合失效時的裝置表現(xiàn)，對其進行詳細的檢查，并確認以下幾點失效故障：①檢查裝置外觀是否具有損壞、變形，裝置內(nèi)部是否具有焦糊異味；②測量裝置各端子的阻抗數(shù)值是否處于正常狀態(tài)；③將裝置進行通電，檢測此狀態(tài)下靜態(tài)電流數(shù)值，是否具有可控性[1]。經(jīng)過檢查后發(fā)現(xiàn)裝置內(nèi)部存在焦糊味，阻抗數(shù)值異常，通電靜態(tài)輸出電流為2.3A，并處于不可控狀態(tài)，對其進行初步的診斷結(jié)論為：可能是由于輸出功率管IRF9540（第五代HEXFETs功率場效應(yīng)管；種類：絕緣柵(MOSFET)；溝道類型：P溝道；導電方式：增強型）被電流擊穿所致短路；通過將將故障進行進一步剖析后發(fā)現(xiàn)，IRF9540中G、D、S均發(fā)生短路故障，由此可以斷定柵源間電壓過壓導致MOSFET燒壞，但實測Vgs保護電壓屬于正常數(shù)值（-9.1V）[2]。

2 列舉可能導致調(diào)速控制器失效的原因

2.1 構(gòu)建失效故障樹分析失效原因

可能導致調(diào)速控制器失效的原因主要出現(xiàn)在設(shè)計、采購、焊接以及裝置的老化四個方面，針對不同因素中可能導致失效的因素進行一一列舉從而構(gòu)建出失效故障樹，進而對失效原因進行分析[3]。

圖1 調(diào)速控制器失效故障樹

2.2 失效原因剖析

2.2.1 設(shè)計因素

調(diào)速控制器在設(shè)計階段已經(jīng)考慮到裝置的過壓及過流保護問題，IRF9540輸出的ld持續(xù)工作電流為-21A、脈沖電流為-94A，因此，過流情況只會發(fā)生在外部負載短路的情況下，外部負載短路設(shè)計出電流＜2.2A，此外，為考慮到外部負載短路時電路散熱問題，設(shè)計方面增加了銅箔散熱器（規(guī)格為3.5×2cm2），所以，及時裝置因外部負載而發(fā)生短路，在前幾分鐘內(nèi)并不會出現(xiàn)裝置因過流、過熱而發(fā)生故障。IRF9540的額定耐壓值Vsd 100V、電壓保護點68V、額定耐壓值Vsg 20V、電壓保護點9.1V，經(jīng)過檢測，裝置Vsd、Vsg均為正常[4]。

2.2.2 采購因素

在進行裝置的采購時，需要從正規(guī)渠道購買原廠產(chǎn)品，并且應(yīng)采用整盤購買的采購模式，以避免采購環(huán)節(jié)中存在的潛在問題。

2.2.3 焊接因素

結(jié)合實際工作中設(shè)備焊接問題可以發(fā)現(xiàn)，若焊接過程中存在焊接溫度過高、單次焊接時間過長將會極大地影響裝置的性能。根據(jù)以往的工作經(jīng)驗，在進行焊接時最高溫度設(shè)定不宜超過230℃，且單次焊接時間應(yīng)控制在≤10s，而相關(guān)的焊接標準均在IRF9540數(shù)據(jù)手冊進行了標注（焊接最高溫度≤300℃、單次焊接時間≤10s），因此，按照正常的焊接操作將不會對調(diào)速控制器的性能產(chǎn)生影響。

2.2.4 高溫老化

由于IRF9540作業(yè)過程中所規(guī)定的高溫老化溫度為≥110℃、高溫老化時間為≥24h，通常在故障裝置階段采用高溫老化的形式進行不良產(chǎn)品的篩選，但是經(jīng)過實踐成效來看，這種辦法并不能完全將不良產(chǎn)品進行剔除，因此，IRF9540的失效故障還是具有較大幾率是由于高溫老化所致[5]。

3 判定金屬軸承運行中調(diào)速控制器失效的原因

3.1 失效的必然原因判定

為了能夠準確的確定失效故障的原因，將采用失效故障樹作為基礎(chǔ)，通過逐一排查的形式以探尋形成失效故障的主要原因。根據(jù)失效故障樹分析失效結(jié)果如表1所示。

表1 根據(jù)失效故障樹分析失效結(jié)果

3.2 失效的根本原因判定

IRF9540發(fā)生損壞：該批次調(diào)速控制器交付3500只，僅出現(xiàn)3只損壞，因此可以判定元器件在進行選型、采購、生產(chǎn)過程中均可以達到要求。IRF9540為P溝道MOSFET連續(xù)的漏極電流ID=-23A、反向耐壓Vdss =-100v、控制電壓Vgs=±20V，根據(jù)IRF9540極限參數(shù)（如表2所示）可知，在連續(xù)實施焊接10s后焊接的溫度將達到300℃，但在實際焊接時發(fā)現(xiàn)，連續(xù)焊接10s的最大溫度為230℃，因此，焊接因素將不會造成對IRF9540性能的影響或致其發(fā)生損壞。

表2 IRF9540極限參數(shù)

由于IRF9540的輸入端為源極S、輸出端為漏極D、控制端為柵極G，實際運行過程中導通電流低于2.3A、反向電壓24V，并且由于漏極D、原極S配備有單向二極管，即便柵極G關(guān)斷后也不會造成IRF9540被電流擊穿。根據(jù)IRF9540極限參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，將裝置適用于24V直流供電系統(tǒng)。此外，在進行IRF9540的設(shè)計過程中，針對輸出短路以及過壓保護均進行了充分的考慮，即連續(xù)電流ID=-23A、脈沖漏極電流IDM=-76A。由于裝置的輸出過載僅會出現(xiàn)在外部負載發(fā)生短路時，外部負載短路設(shè)計輸出電流＜2.3A，并且考慮到電路板的散熱問題，在進行電路板的制作時增加了銅箔散熱器以使其具有良好的散熱性能（散熱器有效散熱面積為3.5×2cm2），因此，即便IRF9540外部發(fā)生負載短路也不會產(chǎn)生過流，進而不會因為過熱而造成裝置的損壞。

通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，導致IRF9540發(fā)生損壞的主要原因是由于器自身存在一定的質(zhì)量缺陷，柵極-源極電壓VGS并未達到最大耐壓±20V（實測耐壓＜±9.1V），因此導致IRF9540發(fā)生三端擊穿短路的損壞。除以上的原因外，因裝置高溫老化也會造成裝置發(fā)生損壞，因此，在進行IRF9540的生產(chǎn)過程中應(yīng)嚴格按照指導置業(yè)規(guī)范標準進行，即高溫老化溫度110℃、老化時間24h，由于設(shè)計時擬采用高溫老化工序?qū)⒃髦胁涣计愤M行篩選剔除，從而能夠更好的保障產(chǎn)品的合格率。

4 制定解決措施并實施驗證

4.1 制定解決措施

通過以上對于造成問題原因的進行分析后，決定采用高溫老化工序作為主要措施，即保持原有高溫老化溫度110℃不變，將高溫老化時間由原來的24h延長至48h，通過增加高溫老化時間的方式更好地篩選出不良品。

4.2 驗證解決措施

對100只樣品進行高溫老化（110℃、48h）后并未發(fā)現(xiàn)其中具有損壞樣本，后又將高溫老化時間由48h延長至72h，依然未發(fā)現(xiàn)損壞樣本，分析原因，樣本的基數(shù)較低，而IRF9540的損壞又屬于小概率事件，因此不易發(fā)現(xiàn)問題。但若將已交付的3500只產(chǎn)品的高溫老化時間由24h延長至48h便可能將金屬軸承運行中調(diào)速控制器失效的3只篩選出來，以此便可將金屬軸承運行中調(diào)速控制器失效概率降到最低。針對本次研究中所制定的解決措施，在短期內(nèi)可能并無法有效驗證其有效性，需要在未來的生產(chǎn)、產(chǎn)品的使用過程中進行長期的觀察，以此確定措施的有效性。

5 結(jié)語

由柴油發(fā)電機組金屬軸承運行中調(diào)速控制器失效原因的判定可以發(fā)現(xiàn)，并不是由單一原因所致，因此在進行失效故障的診斷過程中需要具有正確的邏輯性，采用科學的方式及程序進行剖析處理，從而能夠更加快速、準確的找到失效故障的真實原因及故障點。作為柴油發(fā)電機組的核心部件，對于電子調(diào)速控制器失效的分析是對其質(zhì)量、工作可靠性的必要步驟，通過失效分析可以更加有效地掌握、了解元器件的技術(shù)工藝、結(jié)構(gòu)特性以及失效的模式、特性和機理，從而才能在未來的工作中更好的積累分析技術(shù)，失效分析技術(shù)研究以及預防對我們而言依然任重道遠。