蘆 峰，宋曉明，沈 韓，何玉蘭，李廣良

（西安應用光學研究所 陜西 西安 710065）

某光電裝備電機驅動電路失效分析

蘆 峰，宋曉明，沈 韓，何玉蘭，李廣良

（西安應用光學研究所 陜西 西安 710065）

驅動電路的性能很大程度上影響整個系統(tǒng)的工作性能。驅動電路的設計中主要考慮功能和性能等方面的因素。本文首先介紹了某平臺的電機驅動電路，然后就實際工作及實驗中驅動電路出現的失效信息作以分析，對問題進行總結:導致樣品失效原因是由于電機產生的反電動勢使功率模塊內部的三極管芯片產生表面擊穿，致使電源與地短路，產生大電流導致功率模塊與繼電器以及三極管燒毀。最后并提出了解決方案。

驅動電路；失效分析；H橋；PWM

驅動電路的性能很大程度上影響整個系統(tǒng)的工作性能。驅動電路的設計中主要考慮功能和性能等方面的因素，例如電機是單向還是雙向轉動、需不需要調速等等。對于單向的電機驅動，只要用一個大功率三極管或場效應管或繼電器直接帶動電機即可，當電機需要雙向轉動時，可以使用由4個功率元件組成的H橋電路或者使用一個雙刀雙擲的繼電器。如果不需要調速，只要使用繼電器即可；但如果需要調速，可以使用三極管，場效應管等開關元件實現PWM（脈沖寬度調制）調速[1－5]。

我某平臺的驅動電路為雙極性驅動方式，利用H橋驅動電路和PWM控制實現對直流電動機正反兩個方向的調速控制和伺服控制。由于H橋驅動電路和PWM調速的電機驅動電路存在共態(tài)導通、反向制動電流過大等一些問題，在實際工作和實驗中，會遇到驅動電路失效問題。下面，就幾種經常出現的失效現象對驅動電路作以失效性分析。

1 某平臺的電機驅動電路

1.1 功率驅動電路部分

控制信號經過比較器產生方波，經過如圖1所示電路輸出（H1～H4）到功率模塊。通過計算機控制繼電器的吸合，為功率模塊供電，功率模塊輸出控制信號到機構。

圖1 功率驅動電路Fig.1 Power driving circuit

1.2 功率模塊部分

該設備功率模塊采用東芝某型號功率模塊，模塊內部電路構成是典型的“H橋驅動電路”。電路得名于“H橋驅動電路”是因為它的形狀酷似字母H。4個三極管組成H的4條垂直腿，而電機就是H中的橫杠。

如圖2所示，H橋式電機驅動電路包括4個三極管和一個電機。要使電機運轉，必須導通對角線上的一對三極管。根據不同三極管對的導通情況，電流可能會從左至右或從右至左流過電機，從而控制電機的轉向[6]。

圖2 H橋驅動電路Fig.2 H bridge driver circuit

要使電機運轉，必須使對角線上的一對三極管導通[7]。例如，如圖3所示，當Q1管和Q4管導通時，電流就從電源正極經Q1從左至右穿過電機，然后再經Q4回到電源負極。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅動電機順時針轉動。當三極管Q1和Q4導通時，電流將從左至右流過電機，從而驅動電機按特定方向轉動 （電機周圍的箭頭指示為順時針方向）。當三極管Q2和Q3導通時，電流將從右至左流過電機，從而驅動電機沿另一方向轉動。

圖3 H橋電路驅動電機順時針轉動Fig.3 H bridge circuit to drive the motor clockwise rotation

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)現電機仍舊保持原有的轉動方向，檢查電機控制電路發(fā)現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生的反電動勢使功率模塊內部的三極管芯片產生表面擊穿，致使電源與地短路，產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?/p>

1）功率模塊是非密封結構，雖然內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，根據電機運行脈沖分配的要求，Q 1，Q 2，Q3，Q4經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，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）為了避免直通現象，可調節(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生一個 “死區(qū)時間”，先關后開，防止上、下兩管直通現象。

3）布線時大電流線路要盡量的短粗，并且盡量避免經過過孔，一定要經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過正偏的穩(wěn)壓管和導通的三極管將其燒毀[7]。

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。

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The invalidation analysis on the driving circuit in a photoelectric system

LU Feng， SONG Xiao-ming， SHEN Han， HE Yu-lan， LI Guang-liang
（Xi’an Institute of Applied Optics， Xi’an 710065， China）

The driving circuit affects the behaviour of the system on a great degree.The factors such as function are considered in design of driving mainly.At first， the driving circuit used by navy is introduced in this paper， and then some analysis about the invalidation in the job and experiment is discussed，and a summary on problem is carried out:the reason why the sample become invalid is that the opposing electromotive force which is produced by the motor Leads to the surface puncture of the audion，so the power module and the field are in short circuit，and the current is creasing actually which destroys the module as well as audion.At last，the solutions are given.

driving circuit； invalidation analysis； H bridge； PWM

TP13

A

1674－6236（2013）08－0020－02

2012－11－17稿件編號201211142

蘆 峰（1979—），男，河南南陽人，碩士研究生。研究方向：伺服控制器設計。