摘要：在逆變器/變頻器的設(shè)計(jì)中，橋臂直通故障是導(dǎo)致功率器件失效的常見(jiàn)故障之一。本文對(duì)8kW變頻器設(shè)計(jì)初期階段發(fā)生的橋臂直通故障進(jìn)行了分析和總結(jié)，記錄了故障分析的過(guò)程，并給出了合理的解決方案。

Abstract：Bridge shoot through is one common failure mode for an inverter. In this paper, one boot through failure case was recorded in SRD 5Ton drive development and failure analysis and solution were given out.

關(guān)鍵詞：逆變器，變頻器，橋臂直通

KeyWords:Inverter,Bridgeshoot-through

1.項(xiàng)目背景

在8kW變頻器設(shè)計(jì)初期驗(yàn)證階段，出現(xiàn)了3例上電瞬間PIM（PowerIntegratedModule）失效的案例，雖然3例故障均為偶然故障，隨機(jī)發(fā)生，但故障發(fā)生的條件卻是基本相同，那就是都發(fā)生在上電瞬間的過(guò)程，故初步分析認(rèn)為：設(shè)計(jì)中應(yīng)該存在某個(gè)設(shè)計(jì)缺陷，直接導(dǎo)致了該故障的發(fā)生。必須盡快將此故障解決，保證項(xiàng)目進(jìn)度的正常進(jìn)行。

2.失效原因分析

2.1失效器件分析

圖1是失效變頻器的控制板圖片，從圖片上可以看出，橋臂W相的控制回路/自舉回路的銅箔已經(jīng)給燒斷，說(shuō)明損壞時(shí)有大電流通過(guò)。該部分電路是和PIM模塊內(nèi)部的W相上橋臂的IGBT直接相連的，說(shuō)明內(nèi)部回路應(yīng)該是出現(xiàn)了擊穿損壞，從而導(dǎo)致外部出現(xiàn)較大電流，以至銅箔燒斷。

圖1失效樣品及電路

圖2是失效的PIM拆解圖片，從圖片上可以看出，W相的上下橋臂的兩個(gè)IGBT已經(jīng)完全擊穿燒毀，經(jīng)仔細(xì)用萬(wàn)用表測(cè)量，其他單元的器件均性能完好。

我們同時(shí)也拆解了其他兩塊失效的PIM，現(xiàn)象基本相同，不同的只是失效隨機(jī)分布在U、V、W三相上，并不是固定發(fā)生在某一相上。

綜上，失效表現(xiàn)為橋臂擊穿。

圖2失效樣品拆解圖片

2.2失效機(jī)理分析

對(duì)于全橋逆變電路，如果一橋臂上的兩個(gè)IGBT同時(shí)出現(xiàn)失效，則意味著該橋臂上出現(xiàn)了直通現(xiàn)象，否則輕易是不會(huì)同時(shí)失效的。直通現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致橋臂出現(xiàn)快速上升的大電流，是一種比較嚴(yán)重的故障現(xiàn)象，對(duì)于逆變電路而言，一般的過(guò)流保護(hù)電路對(duì)直通故障基本上起不到保護(hù)作用，通行的做法，是在設(shè)計(jì)上避免出現(xiàn)直通，從而避免器件和產(chǎn)品失效。

從軟件方面考慮，由于DSP的PWM發(fā)生器已經(jīng)做了死區(qū)時(shí)間的配置，理論上出現(xiàn)直通的幾率較小，所以把查找問(wèn)題的重點(diǎn)放在硬件電路設(shè)計(jì)上。

從硬件電路考慮，在本案設(shè)計(jì)中，馬達(dá)PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)首先經(jīng)過(guò)了一個(gè)74HC540緩沖器，然后經(jīng)驅(qū)動(dòng)芯片ACPL-T350(上橋臂驅(qū)動(dòng)芯片)和HCPL-316J(下橋臂驅(qū)動(dòng)芯片)驅(qū)動(dòng)PIM中的IGBT工作，電路細(xì)節(jié)詳見(jiàn)圖3和圖1。為找到故障現(xiàn)象，我們對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)器的輸出信號(hào)、緩沖器74HC540的輸出、以及DSP的輸出信號(hào)分別進(jìn)行了測(cè)試。

圖3 PWM輸出電路

圖4（a）是同一橋臂上兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器的輸出信號(hào)，圖4（b）是同一橋臂上緩沖器的輸出信號(hào)，圖4（c）是其中一路PWM信號(hào)的DSP輸出、緩沖器輸出和驅(qū)動(dòng)器輸出的波形。對(duì)IGBT而言，高電平信號(hào)為有效信號(hào)，從圖4（a）可以看到，同一橋臂的兩個(gè)通道在上電瞬間均出現(xiàn)了大約2.5ms寬的高電平信號(hào)，該信號(hào)肯定會(huì)導(dǎo)致直通現(xiàn)象的出現(xiàn)。為查找故障信號(hào)來(lái)源，我們又對(duì)驅(qū)動(dòng)器的輸入信號(hào)、也就是緩沖器的輸出進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)緩沖器的輸出也存在直通信號(hào)，見(jiàn)圖4（b）。但在對(duì)緩沖器的輸入、也就是DSP的輸出信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，觀(guān)測(cè)到的信號(hào)則是正常的，見(jiàn)圖4（C）。這也說(shuō)明軟件上是沒(méi)有問(wèn)題的，也就是說(shuō)，直通信號(hào)只能是由緩沖器電路造成的。

 圖4（a）驅(qū)動(dòng)器輸出                                               圖4（b）緩沖器輸出

圖4（c）

2.3緩沖器工作電路分析

圖5是HC74540緩沖器的邏輯電路圖和真值表，從電路結(jié)構(gòu)和邏輯關(guān)系上看，電路貌似不應(yīng)該出現(xiàn)直通的故障。從發(fā)生故障的時(shí)序上來(lái)看，在上電完成后的待機(jī)過(guò)程中，緩沖器應(yīng)該輸出穩(wěn)定的高電平信號(hào)，但實(shí)際情況是，在上電的過(guò)程中，緩沖器的輸出逐漸變?yōu)楦唠娖剑诟唠娖缴形赐耆⑵饋?lái)的時(shí)候，輸出突然變?yōu)榈碗娖?。也就是說(shuō)，故障出現(xiàn)在電源建立的過(guò)程中。問(wèn)題查到這個(gè)地方，基本上就有思路了。在上電以及DSP的復(fù)位過(guò)程中，其輸出狀態(tài)是不穩(wěn)定的，從而導(dǎo)致緩沖器的輸入處于一個(gè)不確定狀態(tài)，為了解決這個(gè)問(wèn)題，DSP的輸出有必要做下拉處理（如果是低電平有效就需要做上拉處理），從而在上電以及復(fù)位過(guò)程中給出一個(gè)明確的低電平信號(hào)，防止后級(jí)電路出現(xiàn)導(dǎo)通現(xiàn)象。

圖574HC540

3.電路整改措施

對(duì)DSP的輸出信號(hào)通過(guò)10k電阻下拉處理，見(jiàn)圖6。加下拉以后，無(wú)論是上電瞬間還是正常運(yùn)行過(guò)程中，輸出信號(hào)均正常，問(wèn)題得到圓滿(mǎn)解決。

說(shuō)明：實(shí)際電路中緩沖器的使能端口E1、E2用作了鎖存使能輸入，非懸空端口。

圖6

4.對(duì)該問(wèn)題的思考

4.1思考一：對(duì)任何設(shè)計(jì)變更以及新的設(shè)計(jì)方案，必須要進(jìn)行充足、全面的驗(yàn)證。

IGBT的驅(qū)動(dòng)電路需要做下拉處理，這本是個(gè)常識(shí)問(wèn)題，本案的設(shè)計(jì)中在IGBT驅(qū)動(dòng)器的輸出、也就是IGBT的柵極和地之間也是做了下拉處理的，同時(shí)IGBT驅(qū)動(dòng)器的輸入也做了上拉處理。但本案之所以出現(xiàn)問(wèn)題，是因?yàn)閺腄SP的輸出到IGBT的驅(qū)動(dòng)器之間又額外增加了一級(jí)緩沖器電路，而設(shè)計(jì)之初卻忽略了對(duì)該部分電路的處理，導(dǎo)致該問(wèn)題的出現(xiàn)。

為了避免后續(xù)此類(lèi)問(wèn)題的再次發(fā)生，對(duì)于新設(shè)計(jì)的方案，根據(jù)變頻驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)，我們制定了一套詳細(xì)的電路測(cè)試方案，有效避免類(lèi)似問(wèn)題的發(fā)生。

4.2思考二：如何徹底解決逆變電路的直通故障。

直通故障是逆變電路的常見(jiàn)故障之一，如何徹底解決該故障、或者避免該故障對(duì)驅(qū)動(dòng)器造成的損壞，一直也是逆變器設(shè)計(jì)中的一個(gè)課題。一種方式是直接采用內(nèi)部帶互鎖功能的驅(qū)動(dòng)IC或IPM，可以比較理想的解決這個(gè)問(wèn)題。但目前這類(lèi)芯片還不是特別普及。對(duì)于目前主流的驅(qū)動(dòng)芯片，因?yàn)镻WM發(fā)生器是有死區(qū)時(shí)間的配置功能的，只要外部電路沒(méi)有異常，一般并不會(huì)出現(xiàn)直通故障。但是，在一些特殊的情況，比如說(shuō)進(jìn)行EMS測(cè)試時(shí)，或者DSP出現(xiàn)死機(jī)時(shí)，或者驅(qū)動(dòng)電路異常時(shí)，僅靠?jī)?nèi)部的配置還是無(wú)法完全解決該問(wèn)題的，所以，有必要在設(shè)計(jì)上對(duì)該類(lèi)故障進(jìn)行檢測(cè)和處理，以保證在電路發(fā)生此類(lèi)故障時(shí)不至于損壞相關(guān)器件，造成嚴(yán)重的質(zhì)量事故。

基于這個(gè)考慮，作者設(shè)計(jì)一個(gè)橋臂直通保護(hù)電路并提交了專(zhuān)利申請(qǐng)，電路拓?fù)湟?jiàn)圖7所示。

圖7

該專(zhuān)利是基于對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)出現(xiàn)直通故障時(shí)，觸發(fā)硬件保護(hù)電路動(dòng)作，鎖住驅(qū)動(dòng)信號(hào)，同時(shí)將故障信號(hào)反饋給CPU。當(dāng)直通故障解除時(shí)，保護(hù)電路自動(dòng)解除保護(hù)狀態(tài)。電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定可靠。

5.總結(jié)

文章通過(guò)對(duì)一例逆變器橋臂直通故障的分析整改，充分說(shuō)明了在電路設(shè)計(jì)時(shí)必須對(duì)上電初始化過(guò)程予以足夠的重視。對(duì)于本案例出現(xiàn)的直通故障，我們也提出了一個(gè)有效的專(zhuān)利方案，來(lái)解決直通帶來(lái)的控制器失效問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

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