伺服驅動系統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.工業和信息化部電子第五研究所，廣州 510641）

引言

IPM模塊的特點是集功率變換、驅動與保護電路于一體，其保護功能主要有過流、短路、欠壓和過熱等保護[1]，是伺服驅動系統的一個關鍵器件，其失效將直接導致伺服驅動系統無法使用，對其使用企業和制造企業均造成較大的影響。

1 導致IPM模塊失效的原因

IPM模塊內通常由IGBT、驅動電路及故障檢測電路（過電壓、過電流、過熱等）等構成，如圖1所示。

圖1 IPM模塊內部結構示意圖

其失效的原因有可靠性損害、驅動電路失效、故障檢測電路失效及IGBT失效等，其產生的直接原因如表1所示。

2 典型案例分析

某伺服驅動系統的IPM模塊在使用到其壽命的15 %后，批量性出現失效的故障；據統計，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限后批量性問題，IPM模塊內部元器件眾多，相互關聯相互影響，而分離各個元器件需要首先對芯片進行去模封處理，處理的過程可能產生新的影響[3]，因此本文聚焦于導致伺服驅動系統IPM模塊失效的原因分析，分析過程結合表1，選擇使用模擬實際應用的故障激發手段，確保不引入額外的失效模式。

2.1 過載

按照實際使用情景，將伺服電機負載增加到額定負載的130 %進行測試，運行72 h后，伺服電機減速器損壞，伺服驅動系統使用正常，可判定伺服電機過載與伺服驅動系統IPM模塊失效無直接關聯。

2.2 伺服電機損壞

考慮到伺服電機損壞情況下機器阻力增大會導致功率增大從而燒毀IPM模塊的關聯故障，我們故意使用2.1中損壞的伺服電機按照額定負載及程序進行跑機測試，實時監控電流最大值，為8.46 A，但因運行兩小時后伺服常報警導致無法繼續試驗，故本次試驗未達到穩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損壞而增大，但因本方式測試的數據不足，無法確定實際影響的量化的關聯性關系。

2.3 電磁干擾

考慮到電磁干擾下會導致的數據通信異常從而引發IPM模塊故障，我們做以下驗證：

1）按照實際使用情景，對伺服驅動系統施加電源端及信號端的干擾設備，試驗過程中，設備使用正常。

2）在額定工作的情況下利用電源線與伺服驅動系統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（電源線試驗等級3級）干擾，試驗過程，設備使用正常。

圖2 電磁干擾試驗示意圖

2.4 快速開啟/停止設備

考慮到伺服電機在速度最大位置時快速開啟/停止的情況下，瞬時電流較大，本驗證是在實際額定工況下、在最大速度位置處人為操作快速開啟/停止伺服驅動器，使用示波器測試伺服電機（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。

圖3 快速開啟/停止一軸電流

2.5 散熱不良

將伺服電機按照實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IPM模塊上，通過兩周時間內實時跟蹤檢測其穩定溫度均不高于60 ℃（如表2所示），與環境溫度差低于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致IPM模塊的供電電壓過高，超出極限（見圖4）時，存在燒壞失效的可能。

當Tslot≈0，即時隙較小的地面網絡中時，可以得到P=1/N，λ=1packet/slot，也即接入吞吐量與傳播時延無關.在空間信息網絡中，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

我們通過收集和排查IPM模塊失效的伺服驅動系統時，發現存在大量供電電容鼓包的情況。為了明確機理，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 %。這個電源嚴重影響控制板的供電（主要是影響編碼器供電、運放電路）。

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值對表

由測量數值看出：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。而電壓升高直接導致模塊控制電源過高報警，IGBT驅動電源異常等問題。

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IPM模塊（包括其內部的邏輯電路、驅動電路，以及IGBT本身）燒壞概率非常大。

表4 電容失效電壓測量數值

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

圖7 驅動器部分電路圖

①從電路圖可看出兩個電容（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，其位置設計緊貼二極管，因此先假定是因為鼓包電容靠近了高發熱源導致的。

為了證實假定的猜測，我們使用熱成像對兩個電容（EC020及EC019）溫度進行監測（使伺服系統按照額定情況工作，待溫度穩定后監測），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87.5 ℃，因兩者緊靠的位置布置，導致了電容（EC020）的溫度明顯過高，為了便于明確其在實際工作狀態下的實際溫度，我們把熱電偶探針放置在合并狀態下二極管及電容之間電容側，同樣狀態下工作3 h后測監測其溫度為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 改進后驅動器局部示意圖

2.7 驗證

1）使用熱成像監控溫度，在同樣條件下改進后電容（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；根據該電容的技術要求，更改后的溫度在其額定工作溫度范圍內，能避免因溫度過高導致鼓包失效的質量隱患。

圖10 改進后電容熱成像圖示

2）更改后通過對該伺服驅動系統在使用一定時限后的跟蹤，數據顯示已無IPM模塊失效的批量問題出現，表明本案例的改進是有效的。

3 可靠性改進措施

基于產品全生命周期的理念，為了提升伺服驅動系統的質量，建議在伺服系統研發階段增加以下必要的產品鑒定測試：

3.1 故障激發

產品的鑒定測試需要基于性能測試、極限使用條件測試、極限環境測試等內容，故障激發測試是針對產品預期實際使用狀況的一個極限（如過載、伺服電機損壞等條件運行）模擬，以便更好、更快的觸發故障的發生，從而在研發階段將潛在的質量隱患消除。

3.2 熱成像

溫度對于電子元器件的性能和壽命影響巨大，據資料介紹，超過55 %的電子設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行控制，提高可靠性顯得尤為重要[4]。將伺服驅動系統按照實際狀況工作，溫度穩定后使用熱成像對元器件進行溫度的跟蹤，針對溫度較高或超限的情況進行相應的散熱或位置變更設置，從而將因溫度對元器件造成的影響降至最低。

4 結束語

本文通過梳理對某伺服驅動系統IPM模塊失效分析及改進的案例，提出了伺服驅動系統研發階段應進行故障激發及電子元器件熱成像的鑒定試驗，提高產品可靠性，從而提前預判和規避潛在的質量風險。