王中鋒，付小霞

（山東省港口集團(tuán)濰坊港有限公司 國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濰坊供電公司，山東 濰坊 262737）

1 柴油發(fā)電機(jī)組金屬軸承運(yùn)行中調(diào)速控制器失效點(diǎn)分析

針對(duì)因失效故障退回的電子調(diào)速控制器，結(jié)合失效時(shí)的裝置表現(xiàn)，對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的檢查，并確認(rèn)以下幾點(diǎn)失效故障：①檢查裝置外觀是否具有損壞、變形，裝置內(nèi)部是否具有焦糊異味；②測(cè)量裝置各端子的阻抗數(shù)值是否處于正常狀態(tài)；③將裝置進(jìn)行通電，檢測(cè)此狀態(tài)下靜態(tài)電流數(shù)值，是否具有可控性[1]。經(jīng)過(guò)檢查后發(fā)現(xiàn)裝置內(nèi)部存在焦糊味，阻抗數(shù)值異常，通電靜態(tài)輸出電流為2.3A，并處于不可控狀態(tài)，對(duì)其進(jìn)行初步的診斷結(jié)論為：可能是由于輸出功率管IRF9540（第五代HEXFETs功率場(chǎng)效應(yīng)管；種類：絕緣柵(MOSFET)；溝道類型：P溝道；導(dǎo)電方式：增強(qiáng)型）被電流擊穿所致短路；通過(guò)將將故障進(jìn)行進(jìn)一步剖析后發(fā)現(xiàn)，IRF9540中G、D、S均發(fā)生短路故障，由此可以斷定柵源間電壓過(guò)壓導(dǎo)致MOSFET燒壞，但實(shí)測(cè)Vgs保護(hù)電壓屬于正常數(shù)值（-9.1V）[2]。

2 列舉可能導(dǎo)致調(diào)速控制器失效的原因

2.1 構(gòu)建失效故障樹(shù)分析失效原因

可能導(dǎo)致調(diào)速控制器失效的原因主要出現(xiàn)在設(shè)計(jì)、采購(gòu)、焊接以及裝置的老化四個(gè)方面，針對(duì)不同因素中可能導(dǎo)致失效的因素進(jìn)行一一列舉從而構(gòu)建出失效故障樹(shù)，進(jìn)而對(duì)失效原因進(jìn)行分析[3]。

圖1 調(diào)速控制器失效故障樹(shù)

2.2 失效原因剖析

2.2.1 設(shè)計(jì)因素

調(diào)速控制器在設(shè)計(jì)階段已經(jīng)考慮到裝置的過(guò)壓及過(guò)流保護(hù)問(wèn)題，IRF9540輸出的ld持續(xù)工作電流為-21A、脈沖電流為-94A，因此，過(guò)流情況只會(huì)發(fā)生在外部負(fù)載短路的情況下，外部負(fù)載短路設(shè)計(jì)出電流＜2.2A，此外，為考慮到外部負(fù)載短路時(shí)電路散熱問(wèn)題，設(shè)計(jì)方面增加了銅箔散熱器（規(guī)格為3.5×2cm2），所以，及時(shí)裝置因外部負(fù)載而發(fā)生短路，在前幾分鐘內(nèi)并不會(huì)出現(xiàn)裝置因過(guò)流、過(guò)熱而發(fā)生故障。IRF9540的額定耐壓值Vsd 100V、電壓保護(hù)點(diǎn)68V、額定耐壓值Vsg 20V、電壓保護(hù)點(diǎn)9.1V，經(jīng)過(guò)檢測(cè)，裝置Vsd、Vsg均為正常[4]。

2.2.2 采購(gòu)因素

在進(jìn)行裝置的采購(gòu)時(shí)，需要從正規(guī)渠道購(gòu)買原廠產(chǎn)品，并且應(yīng)采用整盤購(gòu)買的采購(gòu)模式，以避免采購(gòu)環(huán)節(jié)中存在的潛在問(wèn)題。

2.2.3 焊接因素

結(jié)合實(shí)際工作中設(shè)備焊接問(wèn)題可以發(fā)現(xiàn)，若焊接過(guò)程中存在焊接溫度過(guò)高、單次焊接時(shí)間過(guò)長(zhǎng)將會(huì)極大地影響裝置的性能。根據(jù)以往的工作經(jīng)驗(yàn)，在進(jìn)行焊接時(shí)最高溫度設(shè)定不宜超過(guò)230℃，且單次焊接時(shí)間應(yīng)控制在≤10s，而相關(guān)的焊接標(biāo)準(zhǔn)均在IRF9540數(shù)據(jù)手冊(cè)進(jìn)行了標(biāo)注（焊接最高溫度≤300℃、單次焊接時(shí)間≤10s），因此，按照正常的焊接操作將不會(huì)對(duì)調(diào)速控制器的性能產(chǎn)生影響。

2.2.4 高溫老化

由于IRF9540作業(yè)過(guò)程中所規(guī)定的高溫老化溫度為≥110℃、高溫老化時(shí)間為≥24h，通常在故障裝置階段采用高溫老化的形式進(jìn)行不良產(chǎn)品的篩選，但是經(jīng)過(guò)實(shí)踐成效來(lái)看，這種辦法并不能完全將不良產(chǎn)品進(jìn)行剔除，因此，IRF9540的失效故障還是具有較大幾率是由于高溫老化所致[5]。

3 判定金屬軸承運(yùn)行中調(diào)速控制器失效的原因

3.1 失效的必然原因判定

為了能夠準(zhǔn)確的確定失效故障的原因，將采用失效故障樹(shù)作為基礎(chǔ)，通過(guò)逐一排查的形式以探尋形成失效故障的主要原因。根據(jù)失效故障樹(shù)分析失效結(jié)果如表1所示。

表1 根據(jù)失效故障樹(shù)分析失效結(jié)果

3.2 失效的根本原因判定

IRF9540發(fā)生損壞：該批次調(diào)速控制器交付3500只，僅出現(xiàn)3只損壞，因此可以判定元器件在進(jìn)行選型、采購(gòu)、生產(chǎn)過(guò)程中均可以達(dá)到要求。IRF9540為P溝道MOSFET連續(xù)的漏極電流ID=-23A、反向耐壓Vdss =-100v、控制電壓Vgs=±20V，根據(jù)IRF9540極限參數(shù)（如表2所示）可知，在連續(xù)實(shí)施焊接10s后焊接的溫度將達(dá)到300℃，但在實(shí)際焊接時(shí)發(fā)現(xiàn)，連續(xù)焊接10s的最大溫度為230℃，因此，焊接因素將不會(huì)造成對(duì)IRF9540性能的影響或致其發(fā)生損壞。

表2 IRF9540極限參數(shù)

由于IRF9540的輸入端為源極S、輸出端為漏極D、控制端為柵極G，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中導(dǎo)通電流低于2.3A、反向電壓24V，并且由于漏極D、原極S配備有單向二極管，即便柵極G關(guān)斷后也不會(huì)造成IRF9540被電流擊穿。根據(jù)IRF9540極限參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，將裝置適用于24V直流供電系統(tǒng)。此外，在進(jìn)行IRF9540的設(shè)計(jì)過(guò)程中，針對(duì)輸出短路以及過(guò)壓保護(hù)均進(jìn)行了充分的考慮，即連續(xù)電流ID=-23A、脈沖漏極電流IDM=-76A。由于裝置的輸出過(guò)載僅會(huì)出現(xiàn)在外部負(fù)載發(fā)生短路時(shí)，外部負(fù)載短路設(shè)計(jì)輸出電流＜2.3A，并且考慮到電路板的散熱問(wèn)題，在進(jìn)行電路板的制作時(shí)增加了銅箔散熱器以使其具有良好的散熱性能（散熱器有效散熱面積為3.5×2cm2），因此，即便IRF9540外部發(fā)生負(fù)載短路也不會(huì)產(chǎn)生過(guò)流，進(jìn)而不會(huì)因?yàn)檫^(guò)熱而造成裝置的損壞。

通過(guò)上述分析可以發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致IRF9540發(fā)生損壞的主要原因是由于器自身存在一定的質(zhì)量缺陷，柵極-源極電壓VGS并未達(dá)到最大耐壓±20V（實(shí)測(cè)耐壓＜±9.1V），因此導(dǎo)致IRF9540發(fā)生三端擊穿短路的損壞。除以上的原因外，因裝置高溫老化也會(huì)造成裝置發(fā)生損壞，因此，在進(jìn)行IRF9540的生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格按照指導(dǎo)置業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，即高溫老化溫度110℃、老化時(shí)間24h，由于設(shè)計(jì)時(shí)擬采用高溫老化工序?qū)⒃髦胁涣计愤M(jìn)行篩選剔除，從而能夠更好的保障產(chǎn)品的合格率。

4 制定解決措施并實(shí)施驗(yàn)證

4.1 制定解決措施

通過(guò)以上對(duì)于造成問(wèn)題原因的進(jìn)行分析后，決定采用高溫老化工序作為主要措施，即保持原有高溫老化溫度110℃不變，將高溫老化時(shí)間由原來(lái)的24h延長(zhǎng)至48h，通過(guò)增加高溫老化時(shí)間的方式更好地篩選出不良品。

4.2 驗(yàn)證解決措施

對(duì)100只樣品進(jìn)行高溫老化（110℃、48h）后并未發(fā)現(xiàn)其中具有損壞樣本，后又將高溫老化時(shí)間由48h延長(zhǎng)至72h，依然未發(fā)現(xiàn)損壞樣本，分析原因，樣本的基數(shù)較低，而IRF9540的損壞又屬于小概率事件，因此不易發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。但若將已交付的3500只產(chǎn)品的高溫老化時(shí)間由24h延長(zhǎng)至48h便可能將金屬軸承運(yùn)行中調(diào)速控制器失效的3只篩選出來(lái)，以此便可將金屬軸承運(yùn)行中調(diào)速控制器失效概率降到最低。針對(duì)本次研究中所制定的解決措施，在短期內(nèi)可能并無(wú)法有效驗(yàn)證其有效性，需要在未來(lái)的生產(chǎn)、產(chǎn)品的使用過(guò)程中進(jìn)行長(zhǎng)期的觀察，以此確定措施的有效性。

5 結(jié)語(yǔ)

由柴油發(fā)電機(jī)組金屬軸承運(yùn)行中調(diào)速控制器失效原因的判定可以發(fā)現(xiàn)，并不是由單一原因所致，因此在進(jìn)行失效故障的診斷過(guò)程中需要具有正確的邏輯性，采用科學(xué)的方式及程序進(jìn)行剖析處理，從而能夠更加快速、準(zhǔn)確的找到失效故障的真實(shí)原因及故障點(diǎn)。作為柴油發(fā)電機(jī)組的核心部件，對(duì)于電子調(diào)速控制器失效的分析是對(duì)其質(zhì)量、工作可靠性的必要步驟，通過(guò)失效分析可以更加有效地掌握、了解元器件的技術(shù)工藝、結(jié)構(gòu)特性以及失效的模式、特性和機(jī)理，從而才能在未來(lái)的工作中更好的積累分析技術(shù)，失效分析技術(shù)研究以及預(yù)防對(duì)我們而言依然任重道遠(yuǎn)。