艦艇模塊化開關(guān)電源的研究及檢修

鄭錫楚，黃贊能，何洪強(qiáng)

(92823部隊，海南三亞 572021)

目前，開關(guān)電源向高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化方向發(fā)展。由于采用模塊組建電源系統(tǒng)具有設(shè)計周期短、可靠性高、系統(tǒng)升級容易等特點，模塊化電源的應(yīng)用越來越廣泛。當(dāng)前，艦艇新型武器裝備也廣泛應(yīng)用了標(biāo)準(zhǔn)的模塊化開關(guān)電源。

1 基本工作原理

某型聲吶G11(t)+5 V開關(guān)電源，220 V 50 Hz交流電壓經(jīng)高頻雜波濾波，進(jìn)入VI－AIM系列模塊整流，經(jīng)220 μF/400 V濾波，變成含有一定脈動成分的310 V直流電壓，進(jìn)入VI－200系列DC－DC轉(zhuǎn)換器，輸出的穩(wěn)定電壓再進(jìn)入 VIRAM系列進(jìn)行濾波。VI－AIM是一個交流輸入模塊，具有整流、EMI濾波、瞬變保護(hù)及限制涌流等功能，與相兼容的模塊 (如:VI－200系列)配合組成完整的電源系統(tǒng)。VI－200系列是高輸入電壓DC－DC功率變換模塊，輸入電壓從10～400 V，輸出電壓從2～48 V，輸出功率從50～200 W，與VI－AIM(交流輸入模塊)、VI－IAM(輸入抑制模塊)配合使用實現(xiàn)電源系統(tǒng)。VI－RAM紋波衰減模塊可與VI－200或VI－J00功率變換模塊一起使用。連接后，當(dāng)負(fù)載達(dá)20 A時，總輸出紋波會被衰減至少于3 mV峰－峰值。模塊采用有源濾波與無源濾波相結(jié)合的電路，可以衰減低頻的輸入諧波和開關(guān)元件所產(chǎn)生的高頻雜訊 (DC至20 MHz)，效率達(dá)93% ～99%。不需要調(diào)節(jié)，還具備遙感端和輸出電壓調(diào)節(jié)等功能［1］。

美國某公司是大批量生產(chǎn)高密度且能以零電壓、零電流開關(guān)為核心技術(shù)的電源模塊廠家，主要產(chǎn)品有AC－DC及DC－DC電源模塊，配置式電源(一體化電源)和客戶定制電源，其最大特點是功率密度高、可靠性好。第一代VICOR模塊的核心技術(shù)是ZCS(零電流開關(guān))技術(shù);第二代VICOR模塊使用了ZCS/ZVS(零電流/零電壓開關(guān))技術(shù)。海軍新型武器裝備模塊化開關(guān)電源大多數(shù)采用VICOR 模塊［2］。

2 功能特性

2.1 型號與含義

VI－200系列和VI－J00系列DC－DC功率變換模塊的輸出功率、輸出電壓、輸入電壓標(biāo)稱值及工作溫度范圍都可以通過具體型號反映出來。該系列模塊型號的完整表示分為3段，其型號含義如圖1、2所示。例如:VI－261－CW表示VI－200系列，輸入電壓標(biāo)稱值為300 V，輸出電壓標(biāo)稱值為12 V，輸出功率為100 W，工作溫度范圍為－25～85℃;VI－J61－CW模塊，表示VI－J00系列，輸入電壓為300 V，輸出電壓為12 V，輸出功率為100 W，工作溫度范圍為－25～100℃。

圖1 Ⅵ－200系列型號及含義

圖2 Ⅵ－J00系列型號及含義

2.2 管腳功能

VI－200系列和VI－J00系列DC－DC功率變換模塊的輸入 (+IN、－IN)、輸出 (+OUT、－OUT)、遙測 (+S、－S)、輸出電壓調(diào)整 (Trim)管腳的功能與其它DC－DC模塊相同，模塊實物及管腳功能具體如下。

+IN、－IN:直流電壓輸入正、負(fù)端。

GATEOUT:當(dāng)多個模塊并聯(lián)以提高輸出功率時，此端輸出的脈沖信號可用于模塊間的同步。同步信號一般按“雛菊鏈”連接，即一模塊的GATEOUT端連到下一模塊的GATEIN端。

GATEIN:是模塊接通/關(guān)閉的控制端。當(dāng)它被拉低時 (以 －IN為基準(zhǔn)，低于0.65 V，6 mA)，模塊關(guān)閉停止運(yùn)行;浮空 (電壓小于10 V)時，模塊工作。

+S、－S:正、負(fù)輸出電壓感受/遙感端。若+S端電壓高于額定輸出值的110%，將激活模塊的過壓保護(hù)功能 (VI－J00無過壓保護(hù)功能)，關(guān)閉模塊。－S端電位不可超過0.25 V，否則電流限制點將提高。

Trim:此端使輸出電壓在額定值的5%～110%的范圍內(nèi)可調(diào)。

+OUT、－OUT:直流電壓輸出正、負(fù)端。

3 檢修方法

3.1 加假負(fù)載

為了檢測模塊化開關(guān)電源帶負(fù)載能力和工作可靠性，必須在開關(guān)電源輸出端加假負(fù)載。假負(fù)載一般選擇大功率水泥電阻或線繞電阻，負(fù)載的大小按被檢測模塊額定負(fù)載來確定，流過假負(fù)載的實際電流為開關(guān)電源額定輸出電流的1/2或1/3，實際消耗功率為額定功率的1/3或更小。

3.2 檢修的步驟

1)察看銘牌或電路板標(biāo)記，確認(rèn)輸入交流電壓的電壓數(shù)和頻率 (有些裝備使用220 V/400 Hz中頻電源)，輸出電壓的電壓和電流值。

2)檢查保險絲、大功率電阻、整流二極管(或整流橋堆)等器件是否有燒毀的痕跡。確定輸入輸出電壓部位。

3)在輸入端輸入額定電壓，用萬用表測量輸出端輸出電壓是否符合要求。如果為0，則測量220 μF/400 V電容濾波兩端的電壓是否大約為直流310 V。按照工作原理依次檢測，直到查找出故障點。

4)使用示波器檢測輸出電壓波紋情況，確定濾波電容是否容量減少。

5)如果各種輸出電壓測量符合要求，且艇方反映使用時間稍長就會發(fā)生故障，那么可加假負(fù)載進(jìn)行帶負(fù)載能力和工作可靠性試驗，通電工作幾個小時，檢測輸出電壓和電流情況。

6)遇到6 A保險絲燒毀的故障時，不要輕易更換保險絲后通電，應(yīng)用萬用表測量靜態(tài)電阻值。如果條件許可，可以比較同型號板件阻值，判斷故障部位。更換故障器件和測量靜態(tài)電阻值正常后，才在AC 220 V/50 Hz輸入端串1 A左右保險絲后空載通電，防止存在故障隱患，進(jìn)一步擴(kuò)大故障范圍。

4 檢修實例

某型聲吶G12(t)+5V ±12V開關(guān)電源 (圖略)，220 V/50 Hz電源經(jīng)濾波后，通過G1(VIAIM－C1)整流和220 μF/400 V電容濾波，輸出約310 V的直流分別給電源模塊G2(VI－260－CU)、G3(VI－J61－CX)、G4(VI－J61－CX)，G2(VI－260－CU)輸出5 V作為G5(VI－RAM－C2)的輸入進(jìn)一步濾波后輸出5 V電壓。

故障實例1:無+5 V、+12 V、－12 V電源輸出。

檢修過程:打開盒蓋后仔細(xì)檢查，6 A的F1保險絲嚴(yán)重過流燒毀，萬用表筆一端固定在G1的－OUT，分別測量工作正常和故障的G1在線阻值，結(jié)果如表1，比對后推斷G1模塊VI－AIM－C1損壞。更換G1模塊VI－AIM－C1和保險絲F1后，再次測量G1在線阻值，達(dá)到正常阻值，通電測量輸出電壓達(dá)到技術(shù)要求。為了防止隱形故障造成第二次燒毀模塊的現(xiàn)象發(fā)生，在AC220 V/50 Hz輸入端要加串1 A左右保險絲后方可空載通電。

表1 模塊測量阻值表 kΩ

故障實例2:工作5 h后，無電壓輸出。

檢修過程:在+5 V輸出端加電流達(dá)到6.6 A左右的可變假負(fù)載，連續(xù)工作進(jìn)行加帶負(fù)載能力試驗，測量G2模塊各腳電壓分別為:+OUT5.315 V、+S5.31 V、Trim2.82 V、－S0.35 V 。4 h 后，輸出為0。測量G2(VI－260－CU)模塊+OUT、－OUT電壓為0，+IN、－IN電壓為310 V。冷卻后，再次通電輸出正常，說明是易過熱保護(hù)現(xiàn)象。在各個模塊背面加涂導(dǎo)熱硅脂，再次連續(xù)工作進(jìn)行加帶負(fù)載能力試驗，工作5 h，無過熱保護(hù)現(xiàn)象。

5 結(jié)束語

模塊化開關(guān)穩(wěn)壓電源為艦艇裝備提供持續(xù)、恒定的電能源，是裝備的“心臟”，具有將輸入為交流電變換為某一額定電壓的直流電的通用共性。如果穩(wěn)壓電源發(fā)生故障，將嚴(yán)重影響裝備的正常工作。隨著海軍執(zhí)行遠(yuǎn)海護(hù)航任務(wù)的常態(tài)化，對伴隨技術(shù)保障的綜合保障能力和一專多能的素質(zhì)提出更高的要求，因此，掌握艦艇模塊化開關(guān)電源工作原理與檢修方法，使伴隨保障技術(shù)人員具備跨專業(yè)維修多種型號裝備的技術(shù)能力，以及提高應(yīng)急修理保障能力，具有重要意義。

［1］劉選忠.實用電源技術(shù)手冊:模塊化電源分冊 ［M］.沈陽:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1999.

［2］王水平，賈靜，方海燕，等.開關(guān)穩(wěn)壓電源原理及設(shè)計［M］.北京:人民郵電出版社，2008.