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，對于減少產(chǎn)線及市場失效率至關(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DIPIPM™是否損壞進(jìn)行判定，以縮短DIPIPM™故障分析及解決時(shí)間。
在DIPIPM™設(shè)計(jì)、調(diào)試、使用中最常見的故障是DIPIPM™不輸出電壓也無法驅(qū)動負(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)問題，可以采用萬用表對DIPIPM™的各端口進(jìn)行通斷測試，測試方法如下圖1所示。
圖1 DIPIPM™萬用表通斷測試
使用萬用表進(jìn)行通斷測試時(shí)，可以采用電阻檔或二極管檔進(jìn)行測量，由于部分DIPIPM™端口特別是輸出U､V､W端子具有二極管特性，因此采用萬用表的二極管檔進(jìn)行通斷測試更有效也更直觀。如果發(fā)現(xiàn)某一端口對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。如果采用萬用表測量正常，則可以進(jìn)入步驟二，進(jìn)行DIPIPM™工作波形測試。
步驟二：在用萬用表初步測試正常后，可以對DIPIPM™及PCB控制板上電，對工作波形進(jìn)行測試。DIPIPM™具有Fo(故障信號)輸出功能，其目的是在DIPIPM™檢測到諸如控制電源欠壓、過流、過溫時(shí)自動切斷下橋臂IGBT，并在模塊Fo端口輸出低電平信號來通知MCU關(guān)閉PWM信號以保護(hù)DIPIPM™模塊。DIPIPM™ Fo端口電路結(jié)構(gòu)如下圖2所示。
圖2 DIPIPM™Fo端口電路結(jié)構(gòu)
波形測試的目的是驗(yàn)證DIPIPM™波形是否正常及是否存在Fo輸出。波形測試通常采用示波器進(jìn)行測量。首先需要測量的是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™管腳會輸出低電平信號。圖3是一個(gè)模塊DIPIPM™ Fo管腳輸出故障信號的波形例。
圖3 DIPIPM™輸出故障信號例
如果用示波器檢測到了如圖3所示的Fo管腳的下拉信號，則說明DIPIPM™不輸出是因?yàn)镈IPIPM™自身檢測到了異常，觸發(fā)了Fo信號，DIPIPM™關(guān)閉了下橋臂的3路IGBT，從而導(dǎo)致DIPIPM™無輸出。檢測到了故障信號，再進(jìn)一步需要通過示波器測量是哪些因素導(dǎo)致的Fo故障信號輸出。通常對于DIPIPM™有3個(gè)因素可以導(dǎo)致Fo故障信號輸出，過電流、控制電源欠壓、過溫。下面分別對這幾個(gè)因素進(jìn)行分析。
A 過電流
過電流是最常見的導(dǎo)致DIPIPM™產(chǎn)生Fo故障信號的原因。DIPIPM™內(nèi)部配置的LVIC具有短路電平檢測功能，當(dāng)流過旁路電阻的電流超過其保護(hù)電流限值（如1.7倍的額定電流）時(shí)，會在旁路電阻上產(chǎn)生壓降，該電壓經(jīng)過RC濾波器輸入到DIPIPM™的電平檢測端口Cin，當(dāng)電壓幅度超過一定限值（如0.48V）,DIPIPM™將輸出Fo故障信號。下圖4是過電流檢測的硬件電路。過電流檢測電路中的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端口電壓超過過電流檢測限值，從而導(dǎo)致誤觸發(fā)，誤觸發(fā)可以通過示波器檢測主回路電流來排除。圖5是過電流保護(hù)的動作時(shí)序圖。采用示波器測試時(shí)，需要同時(shí)監(jiān)控Fo故障信號和流過IGBT的電流，當(dāng)輸出Fo故障信號的時(shí)刻同時(shí)出現(xiàn)IGBT電流上升超過設(shè)定過電流保護(hù)限值的情況下，可以判定故障信號Fo是由過電流保護(hù)引起。
圖4 DIPIPM™過電流保護(hù)電路
圖5 DIPIPM™過電流保護(hù)動作時(shí)序圖
B 控制電源欠壓
電源的穩(wěn)定性對于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)會受到很大影響，某些情況下，會導(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。下圖6是控制電源欠壓的控制保護(hù)時(shí)序圖。需要注意的是對于上橋臂自舉電壓欠壓保護(hù)，不會產(chǎn)生故障信號Fo輸出。采用示波器測試時(shí)，需要同時(shí)監(jiān)控Fo故障信號和控制15V電源電壓，當(dāng)輸出Fo故障信號的時(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 過溫保護(hù)
為了使DIPIPM™模塊溫升不超過IGBT結(jié)溫最大值，DIPIPM™具備溫度輸出保護(hù)功能。對于三菱電機(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)功能的模塊具有過溫保護(hù)故障信號輸出功能，而僅具有溫度模擬量輸出功能的模塊不具有過溫保護(hù)故障信號輸出功能（如PSS**S92F6-AG）。采用示波器測試時(shí)，需要同時(shí)監(jiān)控Fo故障信號和LVIC或Tc(殼溫)溫度，當(dāng)輸出Fo故障信號的時(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Fo是由過溫引起。下圖7是過溫保護(hù)觸發(fā)Fo故障信號的動作時(shí)序圖。
圖7 DIPIPM™溫度保護(hù)動作時(shí)序圖
通過示波器測試DIPIPM™工作波形可以對故障信號Fo產(chǎn)生的原因進(jìn)行判定，一般來說，過流引起的Fo故障存在兩種情況，一種情況是誤動作或干擾，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，用萬用表可以測量出來。對于控制電源欠壓引起的故障信號Fo，DIPIPM™一般不會損壞；對于過溫引起的故障信號Fo，DIPIPM™可能存在過溫?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。
當(dāng)DIPIPM™在PCB板上采用萬用表測試，發(fā)現(xiàn)DIPIPM™端口阻值異常時(shí)，無法準(zhǔn)確判定到底是DIPIPM™本身損壞還是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，使用萬用表進(jìn)行單獨(dú)阻值測量對比，來更準(zhǔn)確地測量DIPIPM™是否損壞。測量方法是根據(jù)圖1中所示管腳方式，測量阻值并與確定的良品對應(yīng)管腳阻值進(jìn)行比較。由于不同的樣品偏差，同時(shí)不同類型的萬用表可能內(nèi)置電源電壓不同，因此參考的對比偏差在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)行額外的功能測試來對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。
主要的功能測試項(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，則可以直接測試對應(yīng)的功能項(xiàng)目。
表2 功能測試簡易方法
上述測量方法旨在通過給DIPIPM™施加相應(yīng)的電源和控制信號，采用萬用表檢測模塊輸出是否正常，來判斷模塊是否損壞。這種基本的功能測試使用的是常用的檢測設(shè)備，方便快捷。
在DIPIPM™設(shè)計(jì)、評價(jià)及使用過程中出現(xiàn)的故障，通過示波器、直流電源及萬用表等簡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。對于DIPIPM™發(fā)生的故障，判定DIPIPM™是否損壞只是解決問題的第一步，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。敬請期待。
主要參考文獻(xiàn)：
[1] Mitsubishi electric, “SLIMDIP Series Application note”
