判斷開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源變換器工作情況的一種方法

高 嵩，陳志強(qiáng)

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng)110032）

1 引言

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源與線(xiàn)性穩(wěn)壓電源相比，具有更多優(yōu)點(diǎn)，比如小型輕量、效率高、容易對(duì)應(yīng)較寬的輸入電壓范圍等。這些優(yōu)點(diǎn)適應(yīng)于電子設(shè)備的輕、薄、短、小與節(jié)能的要求，通過(guò)改變變壓器抽頭與電路元器件常數(shù)，還可實(shí)現(xiàn)設(shè)備在輸入電壓不同的國(guó)家的使用。因此，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的應(yīng)用范圍迅速擴(kuò)大，市場(chǎng)前景看好[1]。

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的變換器部分是將直流功率變換為高頻功率的重要電路。若變換器電路發(fā)生異常，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電路的所有部分都會(huì)受到影響。通過(guò)觀(guān)測(cè)開(kāi)關(guān)晶體管的電壓與電流波形能發(fā)現(xiàn)變換器部分出現(xiàn)的故障。正向激勵(lì)變換器是此類(lèi)器件中具有代表性的一款，以此為例，對(duì)此種故障檢測(cè)法進(jìn)行研究。

2 正激式變換器工作原理

一般在輸入輸出之間加有隔離器件的都稱(chēng)為隔離型電路，而正激式變換器就是隔離型變換電路的一種[2]。通常情況充當(dāng)隔離器件的是變壓器，而變壓器的主要作用就是用來(lái)將輸入與輸出信號(hào)進(jìn)行電氣隔離。正激型變壓器開(kāi)關(guān)電源，是指當(dāng)直流電作用在變壓器的初級(jí)線(xiàn)圈上時(shí)，會(huì)在變壓器的次級(jí)線(xiàn)圈輸出相應(yīng)的能量。正激式變換器的等效電路圖如圖1所示。通過(guò)改變變壓器線(xiàn)圈匝數(shù)比，可將輸入電壓轉(zhuǎn)換成兩種不同的電壓值。圖中T是變壓器，V是開(kāi)關(guān)管，電容C2和C3是用來(lái)儲(chǔ)能濾波的，L是儲(chǔ)能濾波電感，VD3二極管用來(lái)進(jìn)行續(xù)流[3]。

圖1 正激式變換器等效電路[4]

當(dāng)開(kāi)關(guān)管V導(dǎo)通時(shí)，功率變壓器的初級(jí)繞組中就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電流，能量被存儲(chǔ)在初級(jí)繞組線(xiàn)圈中。因?yàn)樽儔浩鞯某跫?jí)線(xiàn)圈與次級(jí)線(xiàn)圈具有相同的極性，所以這個(gè)存儲(chǔ)的能量就會(huì)通過(guò)磁感應(yīng)的方式傳給次級(jí)繞組。VD2的正極電壓大于負(fù)極電壓，因此該二極管會(huì)導(dǎo)通，能量就通過(guò)此二極管傳遞到電感L中。由于電感具有存儲(chǔ)能量的能力，所以電感L中有能量存在[5]。由于VD3二極管的正端電壓小于負(fù)極電壓，所以VD3處于反向截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)開(kāi)關(guān)管V處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，變壓器線(xiàn)圈中的電流會(huì)逐漸減小，而變壓器的線(xiàn)圈繞組會(huì)阻礙電流的變小趨勢(shì)，因此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)在變壓器T的次級(jí)繞組和初級(jí)繞組中產(chǎn)生，其方向與原來(lái)的電動(dòng)勢(shì)方向相反，因此二極管VD2處于反向截止?fàn)顟B(tài)，而此時(shí)續(xù)流二極管VD3便會(huì)正向?qū)ǎ娏鲿?huì)通過(guò)VD3和負(fù)載流回電感L中，這樣負(fù)載電路工作所需的能量就會(huì)從電感L中獲取。有了這些能量，在V關(guān)斷時(shí)負(fù)載電路的電壓和電流就會(huì)維持不變。

開(kāi)關(guān)電源在工作的時(shí)候還涉及到一個(gè)很重要的去磁問(wèn)題。目前工程中常用的去磁方法主要有：增加繞組法、有源鉗位法、ZVT法等。通常MOSFET被廣泛應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電源變換器中充當(dāng)占空比調(diào)節(jié)器件，因此可以利用諧振去磁的方法，將變壓器剩余的磁化能量進(jìn)行釋放，再利用無(wú)功電阻將其消耗掉。

3 變換器常見(jiàn)故障及觀(guān)測(cè)方法

3.1 變換器常見(jiàn)故障及解決辦法

開(kāi)關(guān)電源變換器經(jīng)常會(huì)發(fā)生帶載情況下沒(méi)有直流電壓輸出或電壓輸出不穩(wěn)定的故障。這種故障主要是以下原因造成的：電源輸入斷開(kāi)或輸出端短路，過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)電路損壞，振蕩電路不能正常工作，負(fù)載超過(guò)了電源的帶載能力，等等。

對(duì)此，排除故障過(guò)程如下：首先，用萬(wàn)用表測(cè)量一下與變壓器次級(jí)線(xiàn)圈相連的各個(gè)元器件能否正常工作，電源與負(fù)載連接線(xiàn)是否斷開(kāi)、虛焊。如果高頻整流二極管沒(méi)有擊穿損壞、負(fù)載沒(méi)有短路斷路的情況，那么很有可能就是電源的控制電路損壞了(控制電路主要包括產(chǎn)生PWM的控制器和過(guò)壓保護(hù)電路)。最后用萬(wàn)用表靜態(tài)測(cè)量高頻濾波電路中整流二極管及低壓濾波電容是否損壞。在工作時(shí)間較長(zhǎng)的電源中，各元器件的老化，焊點(diǎn)開(kāi)焊或者散熱不好等因素，都會(huì)導(dǎo)致電源帶載能力下降。

3.2 變換器故障觀(guān)測(cè)方法

可以通過(guò)觀(guān)測(cè)開(kāi)關(guān)晶體管的電壓與電流的波形來(lái)快速定位發(fā)生故障的位置。晶體管集電極-發(fā)射極間波形如圖2所示。電路中，吸收電路由電容C以及與其并聯(lián)的開(kāi)關(guān)晶體管的發(fā)射極-集電極所構(gòu)成。在開(kāi)關(guān)晶體管截止的瞬間，電容C中有電流流通，降低了晶體管的發(fā)射極-集電極間電壓的上升速度。當(dāng)電容C的值過(guò)小時(shí)，晶體管截止時(shí)的電壓上升速度會(huì)加快，開(kāi)關(guān)損耗增大；當(dāng)電容C的值過(guò)大時(shí)，電容C中的能量不能有效返回電源中，所以因開(kāi)關(guān)晶體管導(dǎo)通，吸收電路的損耗也增大了。電容C的作用非常重要，在電路效率為適當(dāng)值的情況下，段為C選用適當(dāng)取值。

圖2 不同C值下的VCE波形

在圖2(a)所示波形圖中，TF期間變壓器中能量轉(zhuǎn)移到電容C中，TB期間電容中能量通過(guò)變壓器的1次繞組返回到輸入電源。若該能量轉(zhuǎn)移結(jié)束，則電容C上電壓等于電源電壓VI。開(kāi)關(guān)晶體管導(dǎo)通時(shí)，電容C中蓄積的能量為CVI2/2，該能量變?yōu)殚_(kāi)關(guān)晶體管電阻部分的無(wú)效功率被消耗掉了。因此，若開(kāi)關(guān)頻率為f，則有CVI2f/2的功率被消耗了。電容量的選擇很重要，電容量C小，吸收電路的功率損耗就少；但電容量C過(guò)小時(shí)，如圖2(b)所示，開(kāi)關(guān)晶體管截止時(shí)電壓上升速度變快，開(kāi)關(guān)損耗也隨之增加，而且發(fā)射極-集電極之間電壓也增高了；反之，電容量C過(guò)大，如圖2(c)所示，電容中的能量不能完全返回電源端，開(kāi)關(guān)晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)，因此，吸收電路消耗的功率增加。

對(duì)于圖2示出的波形，輸出電壓低，變壓器的1次與2次之間漏感中蓄積的能量少，少到幾乎可以忽略。若輸出電壓高，變壓器漏感中蓄積的能量也增多，該能量轉(zhuǎn)移到電容C中，這時(shí)漏感的影響不可忽略，其對(duì)波形的影響如圖3所示。圖2和圖3都發(fā)生在開(kāi)關(guān)晶體管導(dǎo)通之前，電容C的值是使VCE降到輸入電壓VI的最佳值[6]。

圖3 受到漏感影響的集電極電壓波形

另外，變壓器的漏感較大時(shí)，開(kāi)關(guān)晶體管截止時(shí)電壓尖峰會(huì)增多，電壓上升速度也會(huì)變快，從而增大損耗。在開(kāi)關(guān)晶體管截止、漏感產(chǎn)生尖峰信號(hào)之后，將發(fā)生如圖4所示的振蕩。在很多情況下，引線(xiàn)電感等會(huì)使變壓器T的輸入部分電壓產(chǎn)生振蕩，為此，這部分的引線(xiàn)應(yīng)當(dāng)越短越好[7]。如圖5所示，集電極電壓波形的一部分被鉗位時(shí)，輔助電源繞組NA的極性變反，該繞組進(jìn)行回掃工作。在同樣波形情況下，有必要檢查一下，加載與開(kāi)關(guān)晶體管并聯(lián)的穩(wěn)壓二極管等過(guò)壓保護(hù)元件上的電壓是否有問(wèn)題。

圖4 輸入電源振蕩時(shí)集電極電壓波形

圖5 輔助電源繞組極性變反時(shí)的VCE波形

另外，可以根據(jù)集電極波形來(lái)判斷2次側(cè)扼流圈L的電感是否適當(dāng)。圖6(a)示出的是正常情況的波形。若該電感量偏小，則如圖6(b)所示，集電極電流波形上升非常快。圖6(c)示出變壓器或2次側(cè)扼流圈磁芯飽和時(shí)的波形。扼流圈磁芯飽和時(shí)，若輸出電流稍有下降，則電流上升也隨之變慢，但變壓器飽和時(shí)，負(fù)載電流多少有些變化，急劇上升部分不變，總電平只是上下變化[8]。

圖6 電感對(duì)集電極電流波形的影響

因此，通過(guò)觀(guān)測(cè)三極管集電極電壓的波形，就能知道此時(shí)變換器的工作狀態(tài)，再配合常見(jiàn)故障特征，進(jìn)而能夠?qū)收线M(jìn)行快速準(zhǔn)確的定位。

4 結(jié)束語(yǔ)

介紹了變換器的幾種常見(jiàn)故障及其解決辦法，通過(guò)觀(guān)測(cè)開(kāi)關(guān)晶體管的電壓與電流波形，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)變換器存在的問(wèn)題，并快速進(jìn)行故障定位。本研究中的說(shuō)明僅限正向激勵(lì)變換電路，而其他類(lèi)型電路可以借用此種方式了解變換器的工作情況。在現(xiàn)實(shí)工作中，借此能夠快速發(fā)現(xiàn)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源變換部分發(fā)生的故障并及時(shí)排查，對(duì)于任何工程來(lái)說(shuō)都是具有實(shí)際意義的。