摘要：在逆變器/變頻器的設計中，橋臂直通故障是導致功率器件失效的常見故障之一。本文對8kW變頻器設計初期階段發(fā)生的橋臂直通故障進行了分析和總結，記錄了故障分析的過程，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.

關鍵詞：逆變器，變頻器，橋臂直通

KeyWords:Inverter,Bridgeshoot-through

1.項目背景

在8kW變頻器設計初期驗證階段，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)生在上電瞬間的過程，故初步分析認為：設計中應該存在某個設計缺陷，直接導致了該故障的發(fā)生。必須盡快將此故障解決，保證項目進度的正常進行。

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，說明損壞時有大電流通過。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，說明內(nèi)部回路應該是出現(xiàn)了擊穿損壞，從而導致外部出現(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IGBT已經(jīng)完全擊穿燒毀，經(jīng)仔細用萬用表測量，其他單元的器件均性能完好。

我們同時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失效機理分析

對于全橋逆變電路，如果一橋臂上的兩個IGBT同時出現(xiàn)失效，則意味著該橋臂上出現(xiàn)了直通現(xiàn)象，否則輕易是不會同時失效的。直通現(xiàn)象會導致橋臂出現(xiàn)快速上升的大電流，是一種比較嚴重的故障現(xiàn)象，對于逆變電路而言，一般的過流保護電路對直通故障基本上起不到保護作用，通行的做法，是在設計上避免出現(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)時間的配置，理論上出現(xiàn)直通的幾率較小，所以把查找問題的重點放在硬件電路設計上。

從硬件電路考慮，在本案設計中，馬達PWM驅動信號首先經(jīng)過了一個74HC540緩沖器，然后經(jīng)驅動芯片ACPL-T350(上橋臂驅動芯片)和HCPL-316J(下橋臂驅動芯片)驅動PIM中的IGBT工作，電路細節(jié)詳見圖3和圖1。為找到故障現(xiàn)象，我們對IGBT驅動器的輸出信號、緩沖器74HC540的輸出、以及DSP的輸出信號分別進行了測試。

圖3 PWM輸出電路

圖4（a）是同一橋臂上兩個驅動器的輸出信號，圖4（b）是同一橋臂上緩沖器的輸出信號，圖4（c）是其中一路PWM信號的DSP輸出、緩沖器輸出和驅動器輸出的波形。對IGBT而言，高電平信號為有效信號，從圖4（a）可以看到，同一橋臂的兩個通道在上電瞬間均出現(xiàn)了大約2.5ms寬的高電平信號，該信號肯定會導致直通現(xiàn)象的出現(xiàn)。為查找故障信號來源，我們又對驅動器的輸入信號、也就是緩沖器的輸出進行了監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)緩沖器的輸出也存在直通信號，見圖4（b）。但在對緩沖器的輸入、也就是DSP的輸出信號進行檢測時，觀測到的信號則是正常的，見圖4（C）。這也說明軟件上是沒有問題的，也就是說，直通信號只能是由緩沖器電路造成的。

 圖4（a）驅動器輸出                                               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，從電路結構和邏輯關系上看，電路貌似不應該出現(xiàn)直通的故障。從發(fā)生故障的時序上來看，在上電完成后的待機過程中，緩沖器應該輸出穩(wěn)定的高電平信號，但實際情況是，在上電的過程中，緩沖器的輸出逐漸變?yōu)楦唠娖?，但在高電平尚未完全建立起來的時候，輸出突然變?yōu)榈碗娖?。也就是說，故障出現(xiàn)在電源建立的過程中。問題查到這個地方，基本上就有思路了。在上電以及DSP的復位過程中，其輸出狀態(tài)是不穩(wěn)定的，從而導致緩沖器的輸入處于一個不確定狀態(tài)，為了解決這個問題，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），從而在上電以及復位過程中給出一個明確的低電平信號，防止后級電路出現(xiàn)導通現(xiàn)象。

圖574HC540

3.電路整改措施

對DSP的輸出信號通過10k電阻下拉處理，見圖6。加下拉以后，無論是上電瞬間還是正常運行過程中，輸出信號均正常，問題得到圓滿解決。

說明：實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.對該問題的思考

4.1思考一：對任何設計變更以及新的設計方案，必須要進行充足、全面的驗證。

IGBT的驅動電路需要做下拉處理，這本是個常識問題，本案的設計中在IGBT驅動器的輸出、也就是IGBT的柵極和地之間也是做了下拉處理的，同時IGBT驅動器的輸入也做了上拉處理。但本案之所以出現(xiàn)問題，是因為從DSP的輸出到IGBT的驅動器之間又額外增加了一級緩沖器電路，而設計之初卻忽略了對該部分電路的處理，導致該問題的出現(xiàn)。

為了避免后續(xù)此類問題的再次發(fā)生，對于新設計的方案，根據(jù)變頻驅動器的特點，我們制定了一套詳細的電路測試方案，有效避免類似問題的發(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故障之一，如何徹底解決該故障、或者避免該故障對驅動器造成的損壞，一直也是逆變器設計中的一個課題。一種方式是直接采用內(nèi)部帶互鎖功能的驅動IC或IPM，可以比較理想的解決這個問題。但目前這類芯片還不是特別普及。對于目前主流的驅動芯片，因為PWM發(fā)生器是有死區(qū)時間的配置功能的，只要外部電路沒有異常，一般并不會出現(xiàn)直通故障。但是，在一些特殊的情況，比如說進行EMS測試時，或者DSP出現(xiàn)死機時，或者驅動電路異常時，僅靠內(nèi)部的配置還是無法完全解決該問題的，所以，有必要在設計上對該類故障進行檢測和處理，以保證在電路發(fā)生此類故障時不至于損壞相關器件，造成嚴重的質量事故。

基于這個考慮，作者設計一個橋臂直通保護電路并提交了專利申請，電路拓撲見圖7所示。

圖7

該專利是基于對驅動信號的狀態(tài)進行檢測，當出現(xiàn)直通故障時，觸發(fā)硬件保護電路動作，鎖住驅動信號，同時將故障信號反饋給CPU。當直通故障解除時，保護電路自動解除保護狀態(tài)。電路結構簡單，穩(wěn)定可靠。

5.總結

文章通過對一例逆變器橋臂直通故障的分析整改，充分說明了在電路設計時必須對上電初始化過程予以足夠的重視。對于本案例出現(xiàn)的直通故障，我們也提出了一個有效的專利方案，來解決直通帶來的控制器失效問題。

參考文獻：

[1]FairchildApplicationNote9016《IGBTBasics1》byK.S.Oh,February,2001

[2]“基于HPCL316的大功率IGBT驅動電路研究”，王占擴，樊生文，李正熙，王鵬《變頻器世界》