变频驱动器失效机理与测试方法

严寒酷暑、剧烈震动、腐蚀性化学品……传动产品往往要在极端严苛工况下运行。传动产品出厂后会遭遇何种严苛挑战，我们无从预知。

但作为制造商，我们能做的就是打造经久耐用的产品，并通过严格测试确保其在整个使用周期内始终符合性能规范。ABB 坚信，可靠性能为客户创造价值。为此，我们以超高标准确保每台传动产品都符合严苛的可靠性要求。ABB 可靠性工程经理 Kari Tikkanen 将通过本文讲解我们的传动产品可靠性测试方案。

产品失效背后的物理原理

在了解传动产品测试方案前，我们必须先理解其潜在的失效机理。如前一篇所述，失效物理（PoF）将产品归为两类，并揭示了两大失效根源。

产品失效主要源于过应力失效与磨损失效，这两者分别对应产品的极限强度与疲劳寿命。过应力失效发生于产品所受应力突破其强度极限时。而磨损失效则是渐进过程：每一次的应力作用都会造成微损伤，累积损伤超出材料耐久极限时即引发最终失效。


图 1.当应力超过一定强度时，设备便会失效。有缺陷的产品所能承受的应力低于额定应力，故在额定应力下也会失效。

ABB 可靠性工程经理 Kari Tikkanen 将会讲解我们的传动产品可靠性测试方案。

基于失效物理（PoF）理论，产品可分为合格品和缺陷品两类。合格品能够承受额定应力，只要不超出规定的应力水平，即可在设计寿命期内持续工作。而缺陷品在额定应力作用于缺陷部位时即会失效。这可能会让您认为缺陷品投入使用后很快就会失效，但实际上很多缺陷品仍能继续工作。这是因为大多数应用中的应力水平都低于设计极限值，所以缺陷不会演变为故障，产品仍能正常运行。

影响传动可靠性的应力类型包括机械应力、热应力、电应力、辐射应力和化学应力。图 2 展示了这些应力导致过应力失效和磨损失效的几种典型方式。




图 2.电子设备的典型失效机理。

测试内容与方法的确定

ABB 传动的测试方案是根据失效物理（PoF）理论制定的。根据产品样品的类型以及相应失效机理来选择测试方法（见图 3）。测试贯穿产品全生命周期：研发阶段需要验证设计和元器件选型是否符合技术规范及客户期望；生产阶段需要检验产品质量并确保其持续按设计要求运行；失效阶段需要通过失效分析确定故障根源，判断是否属于自然磨损

图片 3.测试方法根据样本类型和失效机理进行选择

T研发阶段进行的型式试验主要针对标准样品，因此可采用较小样本容量。由于测试样本均为合格品，其失效模式理应一致。测试流程的关键环节是对失效样本进行分析，以确认样本确实符合标准，且失效并非由组件缺陷或制造误差所致。若在少量样本中即发现缺陷，则表明生产过程可能存在重大质量隐患。

缺陷品检测的首要任务是确定抽样率。鉴于缺陷品通常占比较低，必须通过大样本测试验证实际缺陷率。依照统计学原理，当产品合格率为 99% 且要求 99% 置信水平时，需在 459 个测试样本中实现零失效，方可证实缺陷率确实低于 1%。

测试方法 

高加速寿命试验（HALT）
HALT 试验旨在识别产品设计薄弱环节，评估其过应力承受能力，从而验证产品应力裕度。该试验主要考察温度与振动因素，包括单独和组合应力测试。温度测试范围通常介于 -55℃ 至 150℃ 之间，振动测试强度最高可达 50G。其他常见测试应力还包括电压、电流、机械冲击、端子过扭矩、湿度等。图 4 为典型 HALT 测试的温度-振动应力剖面图。

图 4.高加速寿命试验中的典型应力剖面。

HALT 试验最常用于元器件及子组件。产品失效后需进行根本原因分析，判断实际工况中是否可能出现相似失效问题。事实证明，在特定异常工况下（如运输事故或冷却系统故障），实际应用确实可能产生相同的失效模式。实施必要的设计优化后，需重复进行 HALT 试验以验证改进措施能否达到预期效果。

可靠性验证试验（RDT）

RDT 试验旨在验证产品寿命是否达到甚至超过预期目标，通常在产品研发阶段进行。

实施 ALT/RDT 试验必须明确的因素有产品寿命终止时的可靠性指标、全生命周期任务剖面、目标置信度水平，以及经 HALT 试验确认的允许应力阈值。

这些试验会模拟产品全生命周期会承受的应力挑战。对于传动，温度及温度循环测试最为关键。通过施加超出指定工况的应力水平，可有效压缩测试时间。

基于目标置信度与可靠性要求，RDT 试验的样本量通常为 7-20 个样本。通过 RDT 试验的产品可获准上市，但后续仍将持续进行 ALT 试验进行验证。后续进行 ALT 试验不仅可验证可靠性模型的准确性，当实测寿命超出预期时，更能为优化全生命周期成本创造机会。

ABB 采用专用可靠性试验舱对整机进行 RDT 试验，可模拟极端应力条件。通过建立多维可靠性模型，可以确定与产品全生命周期应力相匹配的测试时长。一般情况下，只需数月时间即可模拟 10 年的使用寿命测试。

高加速应力筛选（HASS）

HASS 筛选作为生产流程的重要环节，其核心理念是对产品施加增强应力，使缺陷单元在筛选阶段而非生命周期早期失效。图 5 展示了一条产品的“浴盆曲线”，直观呈现了失效率随生命周期的变化。设备跟人一样：承受的应力越大，早期失效率越高，故障频率越高，寿命越短。

图 5.HASS 筛选通过改变“浴盆曲线”的形态，促使有缺陷的产品在早期失效阶段暴露，从而降低产品在实际使用中的故障率。

HASS 需要权衡取舍：虽然目的是减少实际使用中的故障，但筛选过程本身会因施加应力导致产品磨损，从而略微缩短产品寿命。因此在规划 HASS 时，必须仔细权衡利弊得失。例如，若消耗产品十年寿命中的两个月能消除 x% 的早期故障，这种做法是否值得？对于早期故障率较高的产品而言，HASS 自然是最有益的。然而，HASS 也存在一些缺点，如筛选成本高且会延长生产周期时间。

以 ABB 变频器的生产流程为例，实践中会采用测试柜对主电路板和门极驱动控制板进行 HASS 筛选。电路板连接电源进行循环筛选测试，在超过最高工作温度的环境下持续测试数天。该应力条件相当于数周正常运行所承受的应力。

持续性可靠性测试（ORT）
ORT 测试旨在确保部件或生产工艺未发生系统性影响可靠性的变化。其测试方法与 RDT/ALT 类似，但样本是从实际生产中随机抽取的。ABB 变频器的 ORT 测试对象包括传动模块、IGBT 传动组件、PCB 板及整机。根据预设风险等级，每周或每月从产线抽样。

测试期间如果出现失效，则执行根本原因分析，判定是随机性失效事件，还是产品或元件变更导致的失效。

传动与电机联合测试

原始设备制造商（OEM）在采购新的变频器时会希望了解变频器与其电机配合使用时的性能表现。ABB 变频器设有专业测试设施 - 传动客户实验室，可支持客户使用自有电机或任何 ABB 电机进行联合测试。 测试期间将模拟实际应用负载工况，以便为特定应用优化系统方案。因此，这项测试关注的是电机/传动系统的性能，而非可靠性。

测试设备用于测量传动/电机的动态性能、负载能力以及效率。这些数据用于优化传动/电机组合，有助于降低成本、减少空间占用和降低能耗。同时也能避免因缺乏准确性能数据而导致的变频器选型过大问题。

测试过程中，还可精确测量产品应力参数。这些信息可用于预测产品在特定应用中的可靠性，并通过正确选型和设计最优维护方案来优化全生命周期成本。

失效分析 

当发生故障时，下一步自然是要分析问题出在哪里，以及是否可以采取措施避免未来发生类似故障。传动失效分析实验室利用三维 X 射线、声学扫描仪、扫描声学显微镜（SAM）以及部件剖面分析等设备和技术分析根本原因。其目的在于确定产品是合格品还是缺陷品，以及导致故障的应力来源。现代失效分析是一个有趣的课题，未来我们还会继续撰文探讨。