本章是DIPIPM™技術講座的第4章，前面3章中分別介紹了DIPIPM™的發展歷史、結構與功能、電路選型及應用。本章作為本次技術講座的最后一章將側重于介紹與DIPIPM™失效相關內容。DIPIPM™產品作為逆變電路的關鍵器件，當系統發生異常時，快速排查及判定模塊是否失效及造成失效的初步原因，對于減少產線及市場失效率至關重要，可以大大減少因產品失效導致的損失。本節4.1將圍繞如何查找DIPIPM™的故障及如何迅速對DIPIPM™是否損壞進行判定，以縮短DIPIPM™故障分析及解決時間。

在DIPIPM™設計、調試、使用中最常見的故障是DIPIPM™不輸出電壓也無法驅動負載運轉，這種情況下，工程師最想弄明白的是DIPIPM™模塊是否已經損壞了。如何判定在PCB上的DIPIPM™是否損壞了呢？下面幾個步驟將有助于回答這個問題。

步驟一：PCB斷電后，進行目視檢查。如果DIPIPM™封裝結構或端子有明顯的損傷、變形、開裂、放電痕跡等可基本判定DIPIPM™失效，這時不要再次上電，以防止進一步損壞。如果目視外觀檢查沒有發現問題，可以采用萬用表對DIPIPM™的各端口進行通斷測試，測試方法如下圖1所示。


圖1    DIPIPM™萬用表通斷測試

使用萬用表進行通斷測試時，可以采用電阻檔或二極管檔進行測量，由于部分DIPIPM™端口特別是輸出U､V､W端子具有二極管特性，因此采用萬用表的二極管檔進行通斷測試更有效也更直觀。如果發現某一端口對地為短路或斷路狀態，且該端口周邊元器件沒有短路，則基本判定DIPIPM™的這個端口損壞。如果采用萬用表測量正常，則可以進入步驟二，進行DIPIPM™工作波形測試。

步驟二：在用萬用表初步測試正常后，可以對DIPIPM™及PCB控制板上電，對工作波形進行測試。DIPIPM™具有Fo(故障信號)輸出功能，其目的是在DIPIPM™檢測到諸如控制電源欠壓、過流、過溫時自動切斷下橋臂IGBT，并在模塊Fo端口輸出低電平信號來通知MCU關閉PWM信號以保護DIPIPM™模塊。DIPIPM™ Fo端口電路結構如下圖2所示。


圖2    DIPIPM™Fo端口電路結構
波形測試的目的是驗證DIPIPM™波形是否正常及是否存在Fo輸出。波形測試通常采用示波器進行測量。首先需要測量的是DIPIPM™ Fo管腳在上電開機后是否存在低電平故障信號輸出。正常狀態下，DIPIPM™ Fo管腳是高電平，在發生故障時，DIPIPM™管腳會輸出低電平信號。圖3是一個模塊DIPIPM™ Fo管腳輸出故障信號的波形例。

圖3    DIPIPM™輸出故障信號例

如果用示波器檢測到了如圖3所示的Fo管腳的下拉信號，則說明DIPIPM™不輸出是因為DIPIPM™自身檢測到了異常，觸發了Fo信號，DIPIPM™關閉了下橋臂的3路IGBT，從而導致DIPIPM™無輸出。檢測到了故障信號，再進一步需要通過示波器測量是哪些因素導致的Fo故障信號輸出。通常對于DIPIPM™有3個因素可以導致Fo故障信號輸出，過電流、控制電源欠壓、過溫。下面分別對這幾個因素進行分析。

A 過電流

過電流是最常見的導致DIPIPM™產生Fo故障信號的原因。DIPIPM™內部配置的LVIC具有短路電平檢測功能，當流過旁路電阻的電流超過其保護電流限值（如1.7倍的額定電流）時，會在旁路電阻上產生壓降，該電壓經過RC濾波器輸入到DIPIPM™的電平檢測端口Cin，當電壓幅度超過一定限值（如0.48V）,DIPIPM™將輸出Fo故障信號。下圖4是過電流檢測的硬件電路。過電流檢測電路中的RC濾波器有助于濾除線路產生的噪聲，當線路布線電感較大時，容易在線路上引入噪聲，該噪聲也容易使Cin端口電壓超過過電流檢測限值，從而導致誤觸發，誤觸發可以通過示波器檢測主回路電流來排除。圖5是過電流保護的動作時序圖。采用示波器測試時，需要同時監控Fo故障信號和流過IGBT的電流，當輸出Fo故障信號的時刻同時出現IGBT電流上升超過設定過電流保護限值的情況下，可以判定故障信號Fo是由過電流保護引起。

圖4    DIPIPM™過電流保護電路

圖5    DIPIPM™過電流保護動作時序圖
 

B 控制電源欠壓

電源的穩定性對于DIPIPM™的可靠運行至關重要。當15V控制電源異常時，DIPIPM™內部的IGBT運行狀態會受到很大影響，某些情況下，會導致DIPIPM™的損壞。DIPIPM™內部的LVIC具備欠壓保護功能，當15V控制電源低于限值時，DIPIPM™會進入保護狀態，關閉下橋臂3個IGBT的同時輸出Fo故障信號。下圖6是控制電源欠壓的控制保護時序圖。需要注意的是對于上橋臂自舉電壓欠壓保護，不會產生故障信號Fo輸出。采用示波器測試時，需要同時監控Fo故障信號和控制15V電源電壓，當輸出Fo故障信號的時刻同時出現15V電源電壓下降到欠壓保護觸發電平的情況，可以判定故障信號Fo是由15V電源欠壓引起。

圖6    DIPIPM™控制電源欠壓保護時序圖

C 過溫保護

為了使DIPIPM™模塊溫升不超過IGBT結溫最大值，DIPIPM™具備溫度輸出保護功能。對于三菱電機不同系列的產品溫度保護的方式不同。部分產品具有溫度保護功能；部分產品具有溫度模擬量輸出功能；部分產品同時具有溫度保護和溫度模擬量輸出功能（如SLIMDIP™系列）。只有具備溫度保護功能的模塊具有過溫保護故障信號輸出功能，而僅具有溫度模擬量輸出功能的模塊不具有過溫保護故障信號輸出功能（如PSS**S92F6-AG）。采用示波器測試時，需要同時監控Fo故障信號和LVIC或Tc(殼溫)溫度，當輸出Fo故障信號的時刻同時出現 LVIC或Tc(殼溫)溫度上升至保護觸發溫度的情況，可以判定故障信號Fo是由過溫引起。下圖7是過溫保護觸發Fo故障信號的動作時序圖。


圖7    DIPIPM™溫度保護動作時序圖
通過示波器測試DIPIPM™工作波形可以對故障信號Fo產生的原因進行判定，一般來說，過流引起的Fo故障存在兩種情況，一種情況是誤動作或干擾，這種情況下，DIPIPM™沒有損壞；另外一種情況是DIPIPM™發生了物理性損壞，物理性損壞的大多情況下，用萬用表可以測量出來。對于控制電源欠壓引起的故障信號Fo，DIPIPM™一般不會損壞；對于過溫引起的故障信號Fo，DIPIPM™可能存在過溫損壞的情況，即使DIPIPM™可以正常工作，也不建議繼續使用這個模塊。


當DIPIPM™在PCB板上采用萬用表測試，發現DIPIPM™端口阻值異常時，無法準確判定到底是DIPIPM™本身損壞還是PCB上的其他線路異常導致，這時需要將DIPIPM™從線路板上拆下，使用萬用表進行單獨阻值測量對比，來更準確地測量DIPIPM™是否損壞。測量方法是根據圖1中所示管腳方式，測量阻值并與確定的良品對應管腳阻值進行比較。由于不同的樣品偏差，同時不同類型的萬用表可能內置電源電壓不同，因此參考的對比偏差在50%~100%以內可以認為是正常的。

表1    管腳阻值測量比較法

以上的方式已經能夠對大部分失效品做基礎的判定了，某些特殊情況下，例如靜電導致的微小損壞，需要進行額外的功能測試來對DIPIPM™的好壞進行判定。這個時候我們還需要一個直流電源，通常大家都有低壓可調的直流電源，如下圖8所示。


主要的功能測試項目如下表2所列，如果能夠從系統報警中判斷固定相位或功能故障，則可以直接測試對應的功能項目。

表2    功能測試簡易方法

上述測量方法旨在通過給DIPIPM™施加相應的電源和控制信號，采用萬用表檢測模塊輸出是否正常，來判斷模塊是否損壞。這種基本的功能測試使用的是常用的檢測設備，方便快捷。


在DIPIPM™設計、評價及使用過程中出現的故障，通過示波器、直流電源及萬用表等簡單儀器可以基本判斷出DIPIPM™是否損壞。在實際應用中也確實存在采用上述方法無法判定DIPIPM™是否損壞的情形，這種情況往往發生在DIPIPM™的損壞極其微小，采用常規儀器無法判定的情況，這種情況下，可以將樣品返還給生產商采用更專業的設備進行分析。對于DIPIPM™發生的故障，判定DIPIPM™是否損壞只是解決問題的第一步，造成故障的根本原因及如何解決才是最終目的，接下來的章節將繼續圍繞故障原因分析及解決措施展開講座。敬請期待。

主要參考文獻：

 [1] Mitsubishi electric, “SLIMDIP Series Application note”