浅谈DIPIPM™的健康管理

描述

讲座导语

DIPIPM是双列直插型智能功率模块的简称,由三菱电机于1997年正式推向市场,迄今已在家电、工业和汽车空调等领域获得广泛应用。本讲座主要介绍DIPIPM的基础、功能、应用和失效分析技巧,旨在帮助读者全面了解并正确使用该产品。

多轴机器人应用中DIPIPM的健康管理

上节回顾:第14讲:DIPIPM的健康管理(1)

Q我看现在很多生产线会用机器人替代工人,唰唰唰的,很帅。能不能讲讲机器人呢?

可以啊,伺服电机的驱动也是一个比较典型的应用案例。

A多轴机器人在工业控制领域是一个比较时髦的应用,也是工业4.0,中国制造2025里的重要内容。图11就是一个典型的多轴机器人。其一共有6个受伺服电机控制的转动轴,所以也被称为6轴机器人。

前一节我们是针对一个已经设计好的门机变频器进行校验。看它是否能满足多年的运行的条件。这次我们换个方向。如何从设计之初就考虑寿命问题。如何确定设计一款伺服驱动器能满足多年运行的要求。

首先,重中之重的第一步是确定一下基本条件,就像表2这样。

表2    伺服驱动器相关应用条件

功率模块

然后是运行周期。同样是运行50000小时,是以10s一个循环走还是以20s一个循环走,对循环次数的影响非常明显。多轴机器人的最常见运动以急加速、急减速为特征的往复运动。图12为伺服驱动器的运行模式示意图。

功率模块

图12    伺服驱动器的运行模式示意图

其中:

黄色:速度曲线

灰色:输出电流曲线。

T1:加速时间。一般此时伺服驱动器会以允许的最大电流工作。我们假设T1=3s。

T2:整个运行循环的时间。我们假设T2=20s

那么在50000小时的寿命中,我们的伺服驱动器需要运行50000小时/20s=9M次

根据图5的功率循环曲线和表2的1000ppm的损坏率要求。那么单次运行中ΔTj-c需要低于25℃。

可能有些读者要说了,你都整了这么多了,模块用哪个啊?是时候介绍我们的主角了。接下来有请我们新一代明星,PSS50S73F6。它是三菱电机第7代小型DIPIPM。在兼容以前同封装器件的基础上,又把最大结温提升到了175℃。让我们看看,在表2的条件下PSS50S73F6可以跑到多少电流。

功率模块

图13    PSS50S73F6仿真界面

答案来了。Io=24Arms。也就是说PSS50S73F6在上述这些工况下,每10s跑一个24A有效值的电流,可以跑50000小时。

另外需要说明的是这个电流是在无限散热支持下,需要重复运行的电流。怎么理解?

伺服驱动器并不具备无限散热能力。设计条件中的Ts=90℃是需要实践验证的,你设计的散热器、风道、风扇是否足以将相应的热量带走。

既然是需要重复运行,那就涉及到周期,多久跑一次。如果周期更短,周期数更多,相应需要更低的ΔTj-c和更低的运行电流。

对于伺服驱动器来说除了需要重复运行的电流,还有不需要重复运行的电流,比如堵转。此类工况的仿真主要涉及到Tjmax的仿真。待会我们来详细说说。

我们现在中场休息。广告之后马上回来。

好了,我们下半场开始。下半场我们详细讲讲堵转工况的仿真。

首先什么是堵转?字面意义上理解,电机由于外部机械原因导致不能转动。没错,这是被动的堵转。相应的还会有主动的“堵转”。当然一般也不会叫这个名字。一般会被叫做‘驱动器使能’或者‘力矩保持’等等。两者的异同主要如表3所示。

表3    主动堵转和被动堵转的异同

功率模块

这一节呢,我们主要讲一讲由于机械原因导致的被动堵转。当这种堵转发生时,我们需要以怎么样的方式去设置保护点。我们还是罗列一下工作条件,如表4。

表4    堵转工况仿真条件

功率模块

Q你不都说是输出直流电了么,怎么还有这么多交流电的仿真参数?

很好的问题。这么干的主要原因是如果以直流电的形式来仿真,需要提供一个IGBT的占空比。这个值在设计之初,很难明确获得。但是如果以低频交流电的形式来仿真,就可以有效避免这个问题。通过降低输出频率,利用交流波形波峰这一段来近似仿真为直流。当然由于是低频交流电,对应的输出电压有效值较低,会导致调制率也较低。所以一般就用M=0.1来仿真。

A好了,我们来看一下仿真结果,图14。由于PSS50S73F6最大结温为175℃,它的最大运行结温可以到150℃。当Io=23.5Arms或者说Io=33.2Apeak时,ΔTj-c(max)=52.36℃,Tj(max)=150.87℃。这基本上就是我们的堵转保护的极限值。

功率模块

图14    PSS50S73F6堵转仿真

Q等等,刚才长期稳定运行,你算出来是24Arms。这个堵转怎么才23.5Arms(33.2Apeak)?你是不是想摸鱼?

小伙子可以啊,这么快就发现坑了。没错,堵转的保护点是有可能低于长期稳定运行的电流。因为我只有3个IGBT在干活,他们有6个。保护点低点很合理啊。

A既然如此,我就再说说这其中的其他几个坑。

首先,交流还是直流?驱动器中常见的电流计算方式是电流峰值/1.414=交流有效值。当在交流情况下,这样的计算没有问题。但是如果出现堵转,情况就不一样了。我们来看表5。发现问题了么?你以为是10Arms的交流电,实际上可能是14Arms/peak的直流电。

表5    交流电还是直流电

功率模块

接下来是仿真频率的问题。首先当Fo<10Hz以下时,ΔTj-c(max)和Tj(max)逐渐变大到不可忽视的程度。其次选用多少频率进行上述仿真,各个公司习惯不太一样。我的习惯是伺服驱动器用1Hz来仿真,通用变频器用5Hz来仿真。

刚才仿真出来的ΔTj-c(max)=52.36℃,对应循环次数大约是10万次。对于单次堵转来说无所谓。但是如果该工况是需要重复出现的,可以考虑限制ΔTj-c(max)≤40℃。对应的寿命大约为100万次。

最后是散热器温度事情。如前所述,Ts=90℃是一个理想散热下能够维持的温度。但是没有一个散热系统是理想的。如果堵转只发生1-2s,我们可以忽略散热器温度的变化。毕竟150℃到175℃还有25℃的余量。但是如果这个堵转要持续10s,散热器温度的变化不可忽视。在这10s里,散热器温度会逐渐升高,并推动Tj逐渐升高,直到最终损坏。

好了,就这样吧,下课。

关于三菱电机

三菱电机创立于1921年,是全球知名的综合性企业。在2022年《财富》世界500强排名中,位列351名。截止2022年3月31日的财年,集团营收44768亿日元(约合美元332亿)。作为一家技术主导型企业,三菱电机拥有多项专利技术,并凭借强大的技术实力和良好的企业信誉在全球的电力设备、通信设备、工业自动化、电子元器件、家电等市场占据重要地位。尤其在电子元器件市场,三菱电机从事开发和生产半导体已有60余年。其半导体产品更是在变频家电、轨道牵引、工业与新能源、电动汽车、模拟/数字通讯以及有线/无线通讯等领域得到了广泛的应用。

审核编辑:汤梓红

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