某光电装备电机驱动电路失效分析

摘要：驱动电路的性能很大程度上影响整个系统的工作性能。驱动电路的设计中主要考虑功能和性能等方面的因素。本文首先介绍了某平台的电机驱动电路，然后就实际工作及实验中驱动电路出现的失效信息作以分析，对问题进行总结：导致样品失效原因是由于电机产生的反电动势使功率模块内部的三极管芯片产生表面击穿，致使电源与地短路，产生大电流导致功率模块与继电器以及三极管烧毁。最后并提出了解决方案。
关键词：驱动电路；失效分析；H桥；PWM

驱动电路的性能很大程度上影响整个系统的工作性能。驱动电路的设计中主要考虑功能和性能等方面的因素，例如电机是单向还是双向转动、需不需要调速等等。对于单向的电机驱动，只要用一个大功率三极管或场效应管或继电器直接带动电机即可，当电机需要双向转动时，可以使用由4个功率元件组成的H桥电路或者使用一个双刀双掷的继电器。如果不需要调速，只要使用继电器即可：但如果需要调速，可以使用三极管，场效应管等开关元件实现PWM(脉冲宽度调制)调速。
我某平台的驱动电路为双极性驱动方式，利用H桥驱动电路和PWM控制实现对直流电动机正反两个方向的调速控制和伺服控制。由于H桥驱动电路和PWM调速的电机驱动电路存在共态导通、反向制动电流过大等一些问题，在实际工作和实验中，会遇到驱动电路失效问题。下面，就几种经常出现的失效现象对驱动电路作以失效性分析。

1 某平台的电机驱动电路
1．1 功率驱动电路部分
控制信号经过比较器产生方波，经过如图1所示电路输出(H1～H4)到功率模块。通过计算机控制继电器的吸合，为功率模块供电，功率模块输出控制信号到机构。

1．2 功率模块部分
该设备功率模块采用东芝某型号功率模块，模块内部电路构成是典型的“H桥驱动电路”。电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠。
如图2所示，H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。

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要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，如图3所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动(电机周围的箭头指示为顺时针方向)。当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动。

2 常见失效信息及失效分析
2．1 失效信息1及分析
信息1：样品所在仪器在出问题的前一天正常关机，第二天仪器加电，就出现电机自动转动，而正常时电机在没有输入信号的情况下应该停在当前位置。
分析：驱动电机时，保证H桥上2个同侧的三极管不会同时导通非常重要。如图2所示，如果三极管Q1和Q2同时导通，那么电流就会从正极穿过2个三极管直接回到负极。此时，电路中除了三极管外没有其他任何负载，因此电路上的电流就可能达到最大值(该电流仅受电源性能限制)，甚至烧坏三极管。
在仪器正常关机的时候，电机产生反电动势，导致2个功率模块均有一个三极管芯片发生表面击穿，如图2中的Q1、Q4或者Q2、Q3三极管，同时由于击穿短路的瞬间大电流，造成固体继电器过电流烧毁短路。当仪器再开机器的时候，由于被击穿的2个三级管和固体继电器已经短路，形成回路给电机供电，导致仪器在开机后自动转动。
2．2 失效信息2及分析
信息2：样品在正常工作过程中，发出控制信号后，发现电机仍旧保持原有的转动方向，检查电机控制电路发现在控制电路中的功率模块发热异常。
分析：仪器正常工作，在工作过程中电机产生反电动势，导致2个功率模块均有一个三极管芯片发生表面击穿，如图2中的Q1、Q4或者Q2、Q3三极管，当发出电机改变方向控制命令时，三极管依然处于导通状态，电机无法停止转动，但由于另一控制电机反方向的两功率管接受了改变方向的信号后也处于在导通状态，这时候两功率模块的四个功率芯片都处在导通态，导致电源端与地短路，产生成倍的短路大电流，功率模块发热异常，最终烧毁，过大的电流导致继电器烧毁。
2．3 失效信息3及分析
信息3：仪器在加电工作一段时间后，发出控制信号后，发现电机不转动。
分析：仪器正常工作电机的反电动势导致至少一个三极管表面击穿，在发出其他控制信号时候，电源与地短路，导致电机无动作，功率模块与继电器烧毁，同时图1中的V3或V4也被击穿，过大的电流还会导致该通路上的电阻过热发黑。

3 问题总结及解决方案
导致样品失效原因是由于电机产生的反电动势使功率模块内部的三极管芯片产生表面击穿，致使电源与地短路，产生大电流导致功率模块与继电器以及三极管烧毁。可能有以下原因：
1)功率模块是非密封结构，虽然内部有硅橡胶和硅凝胶保护，但不能完全阻断长期的潮湿环境存放水汽进入芯片表面，这个是造成表面击穿的可能原因。
2)对图2电路的分析可知，根据电机运行脉冲分配的要求，Q1，Q2，Q3，Q4经常处于交替工作状态，由于晶体管的关断过程中有一段存储时间和电流下降时间，总称关断时间，在这段时间内，晶体管并没完全关断。若在此期间，另一个晶体管导通，则造成上、下两管直通而使电源短路，烧坏晶体管或其他元器件。
解决方案如下：
1)由于设备工作环境比较潮湿，在长时间没有训练或任务情况时，除了保持舱内干燥意外，还应定期打开机箱的风扇对设备进行除湿；
2)为了避免直通现象，可调节逻辑延时电路增加时延，以使H桥电路上、下两管交替导通时可产生一个“死区时间”，先关后开，防止上、下两管直通现象。
3)布线时大电流线路要尽量的短粗，并且尽量避免经过过孔，一定要经过过孔的话要把过孔做大一些(>1 mm)并且在焊盘上做一圈小的过孔，在焊接时用焊锡填满，否则可能会烧断。另外，如果使用了稳压管，场效应管源极对电源和地的导线要尽可能的短粗，否则在大电流时，这段导线上的压降可能会经过正偏的稳压管和导通的三极管将其烧毁。
4)为了提高电力的可靠性，必须设置缓冲电路软化开关过程。合理的缓冲电路不但降低了功率器件的浪涌电压du／dt和浪涌电流di／ dt，而且还降低了器件的开关损耗和电磁干扰，避免了器件的二次击穿。

4 结论
通过对电机驱动电路的失效性分析，让我们更加深刻地认识到驱动电路的可靠性的重要性。电机驱动电路的设计应该尽可能做到，无论加上何种控制信号，何种无源负载，电路都是安全的。