パワエレの故障原因探しは破壊と作り直しの連続

壊れない！壊さない！失敗だらけの電源・インバータ設計

簡単に破壊するパワエレ！故障原因の特定は困難


図1　インバータの故障解析は，1回の試作で明確な答えが出るとは限らない．電圧・電流波形，操作手順，モータ挙動を記録し，繰り返し失敗を積み重ねて検証することが，信頼性向上の近道だ．画像クリックで動画を見る．または記事を読む．［提供・著］坂本三直詳細:［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】【セッション1】危険！高出力電源＆インバータの安心設計 10の心得

図1　インバータの故障解析は，1回の試作で明確な答えが出るとは限らない．電圧・電流波形，操作手順，モータ挙動を記録し，繰り返し失敗を積み重ねて検証することが，信頼性向上の近道だ．画像クリックで動画を見る．または記事を読む．［提供・著］坂本三直
詳細:［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】【セッション1】危険！高出力電源＆インバータの安心設計 10の心得

インバータの故障原因を追求する作業は，簡単ではありません．壊れた基板を観察しても，直接的な原因を特定できることは少ないです．

実験用電源のように定電圧・定電流が確保された環境では，不具合があっても破損せず，オシロスコープで波形を観察することで原因を探ることが可能です．しかし，パワー・エレクトロニクス（パワエレ）の回路では，一度の誤動作で部品が破損するケースが多く，壊れる前の挙動を記録できていないことが問題です．

IGBT，ゲート・ドライバ，CPUが同時に壊れるようなケースでは，どれが最初に壊れたかを特定するのは極めて困難です．静電気が原因でCPUが壊れた場合でも，結果としてゲート・ドライバやIGBTまで損傷する可能性があります．逆にIGBTの故障が原因でほかの素子に影響が及ぶ場合もあります．

こうした相互依存性のある故障では，単なる回路図や写真だけでは原因を特定できません．メーカに解析を依頼することもありますが，物的証拠が失われていると，根本原因の究明は難しいです．

故障を前提とした設計・評価の体制が重要です．以下のような情報を継続的にモニタ・記録しておくことで，原因の推定精度を高めることができます．

過去は試作基板の費用が高く，失敗に対する心理的な抵抗も大きかったですが，現在は基板製作のコストが下がり，むしろ人件費の方が重くなっています．
失敗を避けるのではなく，失敗から学ぶ設計手法を繰り返すことで，確実に原因に近づくことができます．

ゲート・ドライバは，パワー・デバイス（IGBTやMOSFETなど）に適切なゲート電圧を与えるための回路です．

IGBTをスイッチングさせるには，一定のスルーレートと十分な電流を供給できるドライバが必要です．
また，ノイズに強い絶縁型のドライバが使用されることもあります．

ゲート・ドライバが破壊される原因は多岐にわたります．主なものは以下のとおりです．

ゲート・ドライバが壊れると，IGBTのゲートが制御不能となり，過熱や貫通電流によってIGBT自体も損傷することがあります．

設計段階で次のような工夫を施すことが有効です．

これらの対策により，ゲート・ドライバ単体の信頼性を向上させることができ，ひいてはシステム全体の故障率を下げることに繋がります．

〈著:ZEPマガジン〉