淺談DIPIPM?的健康管理

講座導(dǎo)語

DIPIPM是雙列直插型智能功率模塊的簡稱，由三菱電機(jī)于1997年正式推向市場，迄今已在家電、工業(yè)和汽車空調(diào)等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。本講座主要介紹DIPIPM的基礎(chǔ)、功能、應(yīng)用和失效分析技巧，旨在幫助讀者全面了解并正確使用該產(chǎn)品。

多軸機(jī)器人應(yīng)用中DIPIPM的健康管理

上節(jié)回顧：第14講：DIPIPM的健康管理（1）

Q我看現(xiàn)在很多生產(chǎn)線會用機(jī)器人替代工人，唰唰唰的，很帥。能不能講講機(jī)器人呢？

可以啊，伺服電機(jī)的驅(qū)動也是一個比較典型的應(yīng)用案例。

A多軸機(jī)器人在工業(yè)控制領(lǐng)域是一個比較時髦的應(yīng)用，也是工業(yè)4.0，中國制造2025里的重要內(nèi)容。圖11就是一個典型的多軸機(jī)器人。其一共有6個受伺服電機(jī)控制的轉(zhuǎn)動軸，所以也被稱為6軸機(jī)器人。

前一節(jié)我們是針對一個已經(jīng)設(shè)計好的門機(jī)變頻器進(jìn)行校驗。看它是否能滿足多年的運(yùn)行的條件。這次我們換個方向。如何從設(shè)計之初就考慮壽命問題。如何確定設(shè)計一款伺服驅(qū)動器能滿足多年運(yùn)行的要求。

首先，重中之重的第一步是確定一下基本條件，就像表2這樣。

表2 伺服驅(qū)動器相關(guān)應(yīng)用條件

然后是運(yùn)行周期。同樣是運(yùn)行50000小時，是以10s一個循環(huán)走還是以20s一個循環(huán)走，對循環(huán)次數(shù)的影響非常明顯。多軸機(jī)器人的最常見運(yùn)動以急加速、急減速為特征的往復(fù)運(yùn)動。圖12為伺服驅(qū)動器的運(yùn)行模式示意圖。

圖12 伺服驅(qū)動器的運(yùn)行模式示意圖

其中：

黃色：速度曲線

灰色：輸出電流曲線。

T1：加速時間。一般此時伺服驅(qū)動器會以允許的最大電流工作。我們假設(shè)T1=3s。

T2：整個運(yùn)行循環(huán)的時間。我們假設(shè)T2=20s

那么在50000小時的壽命中，我們的伺服驅(qū)動器需要運(yùn)行50000小時/20s=9M次

根據(jù)圖5的功率循環(huán)曲線和表2的1000ppm的損壞率要求。那么單次運(yùn)行中ΔTj-c需要低于25℃。

可能有些讀者要說了，你都整了這么多了，模塊用哪個??？是時候介紹我們的主角了。接下來有請我們新一代明星，PSS50S73F6。它是三菱電機(jī)第7代小型DIPIPM。在兼容以前同封裝器件的基礎(chǔ)上，又把最大結(jié)溫提升到了175℃。讓我們看看，在表2的條件下PSS50S73F6可以跑到多少電流。

圖13 PSS50S73F6仿真界面

答案來了。Io=24Arms。也就是說PSS50S73F6在上述這些工況下，每10s跑一個24A有效值的電流，可以跑50000小時。

另外需要說明的是這個電流是在無限散熱支持下，需要重復(fù)運(yùn)行的電流。怎么理解？

伺服驅(qū)動器并不具備無限散熱能力。設(shè)計條件中的Ts=90℃是需要實踐驗證的，你設(shè)計的散熱器?風(fēng)道?風(fēng)扇是否足以將相應(yīng)的熱量帶走。

既然是需要重復(fù)運(yùn)行，那就涉及到周期，多久跑一次。如果周期更短，周期數(shù)更多，相應(yīng)需要更低的ΔTj-c和更低的運(yùn)行電流。

對于伺服驅(qū)動器來說除了需要重復(fù)運(yùn)行的電流，還有不需要重復(fù)運(yùn)行的電流，比如堵轉(zhuǎn)。此類工況的仿真主要涉及到Tjmax的仿真。待會我們來詳細(xì)說說。

我們現(xiàn)在中場休息。廣告之后馬上回來。

好了，我們下半場開始。下半場我們詳細(xì)講講堵轉(zhuǎn)工況的仿真。

首先什么是堵轉(zhuǎn)？字面意義上理解，電機(jī)由于外部機(jī)械原因?qū)е虏荒苻D(zhuǎn)動。沒錯，這是被動的堵轉(zhuǎn)。相應(yīng)的還會有主動的“堵轉(zhuǎn)”。當(dāng)然一般也不會叫這個名字。一般會被叫做‘驅(qū)動器使能’或者‘力矩保持’等等。兩者的異同主要如表3所示。

表3 主動堵轉(zhuǎn)和被動堵轉(zhuǎn)的異同

這一節(jié)呢，我們主要講一講由于機(jī)械原因?qū)е碌谋粍佣罗D(zhuǎn)。當(dāng)這種堵轉(zhuǎn)發(fā)生時，我們需要以怎么樣的方式去設(shè)置保護(hù)點。我們還是羅列一下工作條件，如表4。

表4 堵轉(zhuǎn)工況仿真條件

Q你不都說是輸出直流電了么，怎么還有這么多交流電的仿真參數(shù)？

很好的問題。這么干的主要原因是如果以直流電的形式來仿真，需要提供一個IGBT的占空比。這個值在設(shè)計之初，很難明確獲得。但是如果以低頻交流電的形式來仿真，就可以有效避免這個問題。通過降低輸出頻率，利用交流波形波峰這一段來近似仿真為直流。當(dāng)然由于是低頻交流電，對應(yīng)的輸出電壓有效值較低，會導(dǎo)致調(diào)制率也較低。所以一般就用M=0.1來仿真。

A好了，我們來看一下仿真結(jié)果，圖14。由于PSS50S73F6最大結(jié)溫為175℃，它的最大運(yùn)行結(jié)溫可以到150℃。當(dāng)Io=23.5Arms或者說Io=33.2Apeak時，ΔTj-c(max)=52.36℃，Tj(max)=150.87℃。這基本上就是我們的堵轉(zhuǎn)保護(hù)的極限值。

圖14 PSS50S73F6堵轉(zhuǎn)仿真

Q等等，剛才長期穩(wěn)定運(yùn)行，你算出來是24Arms。這個堵轉(zhuǎn)怎么才23.5Arms(33.2Apeak)？你是不是想摸魚？

小伙子可以啊，這么快就發(fā)現(xiàn)坑了。沒錯，堵轉(zhuǎn)的保護(hù)點是有可能低于長期穩(wěn)定運(yùn)行的電流。因為我只有3個IGBT在干活，他們有6個。保護(hù)點低點很合理啊。

A既然如此，我就再說說這其中的其他幾個坑。

首先，交流還是直流？驅(qū)動器中常見的電流計算方式是電流峰值/1.414=交流有效值。當(dāng)在交流情況下，這樣的計算沒有問題。但是如果出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)，情況就不一樣了。我們來看表5。發(fā)現(xiàn)問題了么？你以為是10Arms的交流電，實際上可能是14Arms/peak的直流電。

表5 交流電還是直流電

接下來是仿真頻率的問題。首先當(dāng)Fo<10Hz以下時，ΔTj-c(max)和Tj(max)逐漸變大到不可忽視的程度。其次選用多少頻率進(jìn)行上述仿真，各個公司習(xí)慣不太一樣。我的習(xí)慣是伺服驅(qū)動器用1Hz來仿真，通用變頻器用5Hz來仿真。

剛才仿真出來的ΔTj-c(max)=52.36℃，對應(yīng)循環(huán)次數(shù)大約是10萬次。對于單次堵轉(zhuǎn)來說無所謂。但是如果該工況是需要重復(fù)出現(xiàn)的，可以考慮限制ΔTj-c(max)≤40℃。對應(yīng)的壽命大約為100萬次。

最后是散熱器溫度事情。如前所述，Ts=90℃是一個理想散熱下能夠維持的溫度。但是沒有一個散熱系統(tǒng)是理想的。如果堵轉(zhuǎn)只發(fā)生1-2s，我們可以忽略散熱器溫度的變化。畢竟150℃到175℃還有25℃的余量。但是如果這個堵轉(zhuǎn)要持續(xù)10s，散熱器溫度的變化不可忽視。在這10s里，散熱器溫度會逐漸升高，并推動Tj逐漸升高，直到最終損壞。

好了，就這樣吧，下課。

關(guān)于三菱電機(jī)

三菱電機(jī)創(chuàng)立于1921年，是全球知名的綜合性企業(yè)。在2022年《財富》世界500強(qiáng)排名中，位列351名。截止2022年3月31日的財年，集團(tuán)營收44768億日元（約合美元332億）。作為一家技術(shù)主導(dǎo)型企業(yè)，三菱電機(jī)擁有多項專利技術(shù)，并憑借強(qiáng)大的技術(shù)實力和良好的企業(yè)信譽(yù)在全球的電力設(shè)備、通信設(shè)備、工業(yè)自動化、電子元器件、家電等市場占據(jù)重要地位。尤其在電子元器件市場，三菱電機(jī)從事開發(fā)和生產(chǎn)半導(dǎo)體已有60余年。其半導(dǎo)體產(chǎn)品更是在變頻家電、軌道牽引、工業(yè)與新能源、電動汽車、模擬/數(shù)字通訊以及有線/無線通訊等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

審核編輯：湯梓紅