伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)IPM模塊失效案例研究及提升方案

鄭建福，郭偉鴻

（1.廣州智能裝備研究院有限公司，廣州 510535； 2.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 510641）

引言

IPM模塊的特點(diǎn)是集功率變換、驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路于一體，其保護(hù)功能主要有過流、短路、欠壓和過熱等保護(hù)[1]，是伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵器件，其失效將直接導(dǎo)致伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)無法使用，對其使用企業(yè)和制造企業(yè)均造成較大的影響。

1 導(dǎo)致IPM模塊失效的原因

IPM模塊內(nèi)通常由IGBT、驅(qū)動(dòng)電路及故障檢測電路（過電壓、過電流、過熱等）等構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 IPM模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

其失效的原因有可靠性損害、驅(qū)動(dòng)電路失效、故障檢測電路失效及IGBT失效等，其產(chǎn)生的直接原因如表1所示。

2 典型案例分析

某伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的IPM模塊在使用到其壽命的15 %后，批量性出現(xiàn)失效的故障；據(jù)統(tǒng)計(jì)，IPM模塊失效一部分由器件本身的失效模式累積另外一部分由廠家的制程工藝決定[2]，本案例為同一型號使用同一定時(shí)限后批量性問題，IPM模塊內(nèi)部元器件眾多，相互關(guān)聯(lián)相互影響，而分離各個(gè)元器件需要首先對芯片進(jìn)行去模封處理，處理的過程可能產(chǎn)生新的影響[3]，因此本文聚焦于導(dǎo)致伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)IPM模塊失效的原因分析，分析過程結(jié)合表1，選擇使用模擬實(shí)際應(yīng)用的故障激發(fā)手段，確保不引入額外的失效模式。

2.1 過載

按照實(shí)際使用情景，將伺服電機(jī)負(fù)載增加到額定負(fù)載的130 %進(jìn)行測試，運(yùn)行72 h后，伺服電機(jī)減速器損壞，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使用正常，可判定伺服電機(jī)過載與伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)IPM模塊失效無直接關(guān)聯(lián)。

2.2 伺服電機(jī)損壞

考慮到伺服電機(jī)損壞情況下機(jī)器阻力增大會導(dǎo)致功率增大從而燒毀IPM模塊的關(guān)聯(lián)故障，我們故意使用2.1中損壞的伺服電機(jī)按照額定負(fù)載及程序進(jìn)行跑機(jī)測試，實(shí)時(shí)監(jiān)控電流最大值，為8.46 A，但因運(yùn)行兩小時(shí)后伺服常報(bào)警導(dǎo)致無法繼續(xù)試驗(yàn)，故本次試驗(yàn)未達(dá)到穩(wěn)定溫度值無法檢測工作溫度，基于以上，從最大電流反饋出其趨勢是隨伺服電機(jī)損壞而增大，但因本方式測試的數(shù)據(jù)不足，無法確定實(shí)際影響的量化的關(guān)聯(lián)性關(guān)系。

2.3 電磁干擾

考慮到電磁干擾下會導(dǎo)致的數(shù)據(jù)通信異常從而引發(fā)IPM模塊故障，我們做以下驗(yàn)證：

1）按照實(shí)際使用情景，對伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)施加電源端及信號端的干擾設(shè)備，試驗(yàn)過程中，設(shè)備使用正常。

2）在額定工作的情況下利用電源線與伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的編碼器線及排線同向捆綁（如圖2所示），并對電源端施加電快速瞬變脈沖群（電源線試驗(yàn)等級3級）干擾，試驗(yàn)過程，設(shè)備使用正常。

圖2 電磁干擾試驗(yàn)示意圖

2.4 快速開啟/停止設(shè)備

考慮到伺服電機(jī)在速度最大位置時(shí)快速開啟/停止的情況下，瞬時(shí)電流較大，本驗(yàn)證是在實(shí)際額定工況下、在最大速度位置處人為操作快速開啟/停止伺服驅(qū)動(dòng)器，使用示波器測試伺服電機(jī)（U相）電流，由示波電流圖（圖3）可看出快速開啟電流低于正常運(yùn)行最大電流，而快速停止瞬間最大電流為12.36 A，高于正常運(yùn)行最大電流7.34 A約68 %，但瞬間最大電流還在IPM模塊額定（25 A）范圍內(nèi)。

圖3 快速開啟/停止一軸電流

2.5 散熱不良

將伺服電機(jī)按照實(shí)際額定使用情景工作，使用溫度跟蹤儀的探針分別放置在四個(gè)IPM模塊上，通過兩周時(shí)間內(nèi)實(shí)時(shí)跟蹤檢測其穩(wěn)定溫度均不高于60 ℃（如表2所示），與環(huán)境溫度差低于30 ℃，可以判斷IPM模塊的散熱是良好的。

表2 IPM模塊溫度跟蹤檢測記錄

2.6 供電電壓過高

1）考慮到供電電容失效會導(dǎo)致IPM模塊的供電電壓過高，超出極限（見圖4）時(shí)，存在燒壞失效的可能。

當(dāng)Tslot≈0，即時(shí)隙較小的地面網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，可以得到P=1/N，λ=1packet/slot，也即接入吞吐量與傳播時(shí)延無關(guān).在空間信息網(wǎng)絡(luò)中，Tslot不可忽略，我們可以近似得到：

圖4 英飛凌IKCM30F60GD極限電壓參數(shù)

我們通過收集和排查IPM模塊失效的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)存在大量供電電容鼓包的情況。為了明確機(jī)理，通過其與新電容的對比，查找功能的差異：

①測量第一級5 V電壓。

由測試圖5～6可以看出，鼓包電容電壓波形變形，紋波電壓峰值大于6.5 V，偏差＞30 %。這個(gè)電源嚴(yán)重影響控制板的供電（主要是影響編碼器供電、運(yùn)放電路）。

圖5 新品電容5 V測試圖

②模塊供電15 V電壓測量。

我們使用同樣方法，測試模塊供電15 V電壓如表3示。

表3 鼓包電容與新品電容測量數(shù)值對表

由測量數(shù)值看出：鼓包電容電壓均值和峰值較新品電容均明顯升高，但紋波大小相當(dāng)。而電壓升高直接導(dǎo)致模塊控制電源過高報(bào)警，IGBT驅(qū)動(dòng)電源異常等問題。

③為了確定電壓的均值及峰值隨電容的失效成正比上升關(guān)系，以定位IPM模塊失效的真因，我們使用萬用表測量鼓包更嚴(yán)重的電容，電壓升高情況（電容1000 uf/16 V）。

圖6 新品電容5 V測試圖

通過表4可知，IPM模塊供電最大值是20 V，超過20 V時(shí)IPM模塊（包括其內(nèi)部的邏輯電路、驅(qū)動(dòng)電路，以及IGBT本身）燒壞概率非常大。

表4 電容失效電壓測量數(shù)值

2）基于故障定位到最小單元的理念，我們從電路圖及實(shí)物（圖7）進(jìn)行了更深入的分析：

圖7 驅(qū)動(dòng)器部分電路圖

①從電路圖可看出兩個(gè)電容（EC020及EC019）的電壓和紋波電流不存在差別，而透過收集的燒壞IPM模塊的鼓包電容均為EC020，其位置設(shè)計(jì)緊貼二極管，因此先假定是因?yàn)楣陌娙菘拷烁甙l(fā)熱源導(dǎo)致的。

為了證實(shí)假定的猜測，我們使用熱成像對兩個(gè)電容（EC020及EC019）溫度進(jìn)行監(jiān)測（使伺服系統(tǒng)按照額定情況工作，待溫度穩(wěn)定后監(jiān)測），見圖8。

圖8 電容熱成像圖示

可以看出，電容（EC020）靠近的二極管溫度高達(dá)87.5 ℃，因兩者緊靠的位置布置，導(dǎo)致了電容（EC020）的溫度明顯過高，為了便于明確其在實(shí)際工作狀態(tài)下的實(shí)際溫度，我們把熱電偶探針放置在合并狀態(tài)下二極管及電容之間電容側(cè)，同樣狀態(tài)下工作3 h后測監(jiān)測其溫度為72.8 ℃、工作12 h后其溫度為77.8 ℃，均超過了70 ℃，因此確定了二極管及電容并在一起導(dǎo)致電容溫度過高而鼓包失效是重要原因之一。

②解決方法

將二極管及電容分開一定距離，并在溫度偏高的二極管增加散熱片，點(diǎn)高溫硅膠的措施使其兩者散熱性能提高（如圖9所示）。

圖9 改進(jìn)后驅(qū)動(dòng)器局部示意圖

2.7 驗(yàn)證

1）使用熱成像監(jiān)控溫度，在同樣條件下改進(jìn)后電容（EC020）的溫度比更改前降低了7.8 ℃，均低于70 ℃，散熱效果顯著，見圖10；根據(jù)該電容的技術(shù)要求，更改后的溫度在其額定工作溫度范圍內(nèi)，能避免因溫度過高導(dǎo)致鼓包失效的質(zhì)量隱患。

圖10 改進(jìn)后電容熱成像圖示

2）更改后通過對該伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在使用一定時(shí)限后的跟蹤，數(shù)據(jù)顯示已無IPM模塊失效的批量問題出現(xiàn)，表明本案例的改進(jìn)是有效的。

3 可靠性改進(jìn)措施

基于產(chǎn)品全生命周期的理念，為了提升伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量，建議在伺服系統(tǒng)研發(fā)階段增加以下必要的產(chǎn)品鑒定測試：

3.1 故障激發(fā)

產(chǎn)品的鑒定測試需要基于性能測試、極限使用條件測試、極限環(huán)境測試等內(nèi)容，故障激發(fā)測試是針對產(chǎn)品預(yù)期實(shí)際使用狀況的一個(gè)極限（如過載、伺服電機(jī)損壞等條件運(yùn)行）模擬，以便更好、更快的觸發(fā)故障的發(fā)生，從而在研發(fā)階段將潛在的質(zhì)量隱患消除。

3.2 熱成像

溫度對于電子元器件的性能和壽命影響巨大，據(jù)資料介紹，超過55 %的電子設(shè)備的失效形式是由溫度過高引起的，因此，對電子元器件的溫度進(jìn)行控制，提高可靠性顯得尤為重要[4]。將伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)按照實(shí)際狀況工作，溫度穩(wěn)定后使用熱成像對元器件進(jìn)行溫度的跟蹤，針對溫度較高或超限的情況進(jìn)行相應(yīng)的散熱或位置變更設(shè)置，從而將因溫度對元器件造成的影響降至最低。

4 結(jié)束語

本文通過梳理對某伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)IPM模塊失效分析及改進(jìn)的案例，提出了伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研發(fā)階段應(yīng)進(jìn)行故障激發(fā)及電子元器件熱成像的鑒定試驗(yàn)，提高產(chǎn)品可靠性，從而提前預(yù)判和規(guī)避潛在的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。