某光電裝備電機驅動電路失效分析

2 常見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題的前一天正常關機，第二天儀器加電，就出現(xiàn)電機自動轉動，而正常時電機在沒有輸入信號的情況下應該停在當前位置。
分析：驅動電機時，保證H橋上2個同側的三極管不會同時導通非常重要。如圖2所示，如果三極管Q1和Q2同時導通，那么電流就會從正極穿過2個三極管直接回到負極。此時，電路中除了三極管外沒有其他任何負載，因此電路上的電流就可能達到最大值(該電流僅受電源性能限制)，甚至燒壞三極管。
在儀器正常關機的時候，電機產(chǎn)生反電動勢，導致2個功率模塊均有一個三極管芯片發(fā)生表面擊穿，如圖2中的Q1、Q4或者Q2、Q3三極管，同時由于擊穿短路的瞬間大電流，造成固體繼電器過電流燒毀短路。當儀器再開機器的時候，由于被擊穿的2個三級管和固體繼電器已經(jīng)短路，形成回路給電機供電，導致儀器在開機后自動轉動。
2．2 失效信息2及分析
信息2：樣品在正常工作過程中，發(fā)出控制信號后，發(fā)現(xiàn)電機仍舊保持原有的轉動方向，檢查電機控制電路發(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，在工作過程中電機產(chǎn)生反電動勢，導致2個功率模塊均有一個三極管芯片發(fā)生表面擊穿，如圖2中的Q1、Q4或者Q2、Q3三極管，當發(fā)出電機改變方向控制命令時，三極管依然處于導通狀態(tài)，電機無法停止轉動，但由于另一控制電機反方向的兩功率管接受了改變方向的信號后也處于在導通狀態(tài)，這時候兩功率模塊的四個功率芯片都處在導通態(tài)，導致電源端與地短路，產(chǎn)生成倍的短路大電流，功率模塊發(fā)熱異常，最終燒毀，過大的電流導致繼電器燒毀。
2．3 失效信息3及分析
信息3：儀器在加電工作一段時間后，發(fā)出控制信號后，發(fā)現(xiàn)電機不轉動。
分析：儀器正常工作電機的反電動勢導致至少一個三極管表面擊穿，在發(fā)出其他控制信號時候，電源與地短路，導致電機無動作，功率模塊與繼電器燒毀，同時圖1中的V3或V4也被擊穿，過大的電流還會導致該通路上的電阻過熱發(fā)黑。

3 問題總結及解決方案
導致樣品失效原因是由于電機產(chǎn)生的反電動勢使功率模塊內(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)生大電流導致功率模塊與繼電器以及三極管燒毀?？赡苡幸韵略颍?br /> 1)功率模塊是非密封結構，雖然內(nèi)部有硅橡膠和硅凝膠保護，但不能完全阻斷長期的潮濕環(huán)境存放水汽進入芯片表面，這個是造成表面擊穿的可能原因。
2)對圖2電路的分析可知，根據(jù)電機運行脈沖分配的要求，Q1，Q2，Q3，Q4經(jīng)常處于交替工作狀態(tài)，由于晶體管的關斷過程中有一段存儲時間和電流下降時間，總稱關斷時間，在這段時間內(nèi)，晶體管并沒完全關斷。若在此期間，另一個晶體管導通，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)由于設備工作環(huán)境比較潮濕，在長時間沒有訓練或任務情況時，除了保持艙內(nèi)干燥意外，還應定期打開機箱的風扇對設備進行除濕；
2)為了避免直通現(xiàn)象，可調(diào)節(jié)邏輯延時電路增加時延，以使H橋電路上、下兩管交替導通時可產(chǎn)生一個“死區(qū)時間”，先關后開，防止上、下兩管直通現(xiàn)象。
3)布線時大電流線路要盡量的短粗，并且盡量避免經(jīng)過過孔，一定要經(jīng)過過孔的話要把過孔做大一些(>1 mm)并且在焊盤上做一圈小的過孔，在焊接時用焊錫填滿，否則可能會燒斷。另外，如果使用了穩(wěn)壓管，場效應管源極對電源和地的導線要盡可能的短粗，否則在大電流時，這段導線上的壓降可能會經(jīng)過正偏的穩(wěn)壓管和導通的三極管將其燒毀。
4)為了提高電力的可靠性，必須設置緩沖電路軟化開關過程。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關損耗和電磁干擾，避免了器件的二次擊穿。

4 結論
通過對電機驅動電路的失效性分析，讓我們更加深刻地認識到驅動電路的可靠性的重要性。電機驅動電路的設計應該盡可能做到，無論加上何種控制信號，何種無源負載，電路都是安全的。