一種艦用電力電子變換電路的故障分析與改進

陳淼 魏華 耿攀

(武漢第二船舶設計研究所，武漢 430064)

1 引言

隨著艦船自動化程度提高，設置大量低電制電磁閥、電動執行機構及傳感器、變送器等測量用電設備。這些用電設備與艦船安全可靠運行關系密切，需要低壓直流電源供電。為此研制可靠電源裝置將艦船三相50 Hz，380 V交流電源變換為低壓直流電源的變換裝置。

交流電源對直流負載供電，可采用的電力變換方案有：a)不控整流；b)相控整流；c)帶工頻變壓器的相控整流；d)先經不控整流再采用不隔離的高頻 DC/DC變換器；e)AC/DC不控整流、DC/AC高頻逆變、AC/DC整流三級變換[1]。為保證輸出直流電壓紋波小，動態特性好，采用三級電力變換，其實現方案如圖1所示。

圖1 交流供電時直流電源實現方案圖

圖1中通過中間一級高頻方波逆變（DC/AC），同時高頻變壓器將直流負載與交流電網隔離，高頻變壓器輸出側直流L2,C2濾波器重量體積不大。

艦用電力電子變換電路技術參數要求：

輸入電壓：3 Φ，50 Hz，AC380 V；

輸出電壓：DC25 V；

輸出容量：2.5 kW。

變換電路由濾波電路、升壓電路、逆變電路、降壓電路以及各種檢測電路組成。控制電路由輔助電源、IGBT驅動電路和過流、過壓等保護電路組成。IGBT驅動電路核心采用 PWM 芯片TL494, 逆變開關器件為 SIMENS公司的BSM200GB120DN2，驅動電路為EXB841。設置了過流、過壓等保護電路，HL1檢測直流母線正端的電流， HL2檢測直流母線負端的電流。同時檢測輸出電壓，將信號送至TL494,通過電壓、電流誤差放大器調整輸出的 PWM 信號的占空比，從而調整輸出電壓使其穩定在DC25V。

變換電路原理圖如圖2所示。其中C1 、C2為分壓電容。D1、D2 為三相整流橋。L2為直流母線上濾波電容。L3為輸出濾波電容。T1為高頻變壓器，T2為整流變壓器。U2為 2個 IGBT集成半橋模塊，V1～V4為保護IGBT的穩壓管。IGBT開通關斷的驅動信號由控制板上TL494集成芯片發出，經EXB841驅動器件驅動。U4為可控硅，用來切除啟動電阻R0。V0為半波整流單元。HL1、HL2為在直流母線正負極上設置的電流霍爾傳感器件。

圖2 電力電子變換電路原理圖

2 故障分析及研究

2.1 故障現象

故障一：電路接通時，三相整流橋D2燒壞，同時AC380 V輸入端熔芯燒毀。更換三相橋后恢復正常。故障時為長時間不通電后首次接通電源三相橋燒壞，且都是剛上主電，尚未啟動。輸入電壓為AC380 V。

故障二：電路正常工作時，電路出現過流保護停機。切斷電路重新接通，電路工作正常。

2.2 故障分析

根據故障一現象描述，電路故障原因有如下2種。

a）主電路可控硅U4上電時電壓變化率du dt過大，導致出現無觸發信號也能誤導通，直流母線上電流過大。

b） 上電瞬間三相橋D2兩端有過電壓或過電流導致整流橋燒毀。

通過試驗對上述故障進行復現，在反復通斷電路情況下，檢查三相整流橋是否故障。同時設置檢測點進行相應參數監測。

針對故障原因中a）種情況，查閱可控硅U4參數為：

額定通態平均電流：55 A

斷態（反向）重復峰值電壓：1200 V

門極觸發電流：52 mA

斷態電壓臨界上升率：500 V/μs。

接通電路，用示波器監測直流主母線上電流值。上電瞬間可控硅正負極電壓由0跳至540 V，峰值即 540 V，沒有電壓上沖。正母線電流由 0上升至5 A，充電完成后下降至2A（約80 ms）。波形顯示小于可控硅 U4斷態電壓臨界上升率500 V/μs。且多次試驗三相整流橋均工作正常。

針對故障原因 b）種情況，整流橋技術參數為：

額定正向整流電流：30 A

最高反向工作電壓：1200 V

三相橋輸入410 V，C1、C2大電容兩端電壓為0時，上電瞬間三相橋D2兩端電壓由0跳變至約600 V，偶爾過充至700 V。D2輸出電流由0跳變至7 A（最高8 A）然后下降，都小于三相橋參數值30 A/1200 V。且多次試驗三相整流橋工作正常。根據以上分析，可以推斷出故障原因應是三相整流橋器件批次質量問題。

根據故障二現象描述，電路故障原因有如下4種，即：

a）電路輸出端短路；

b）電路中電流霍爾檢測誤差大；

c) 電路中IGBT模塊損壞；

d) 電路中IGBT控制電路故障或受到干擾。

針對電路輸出端負載某支路短路情況，檢查各支路用電設備的絕緣、電路輸入端、輸出端的對地絕緣。經檢查大于10 M，排除a項故障原因。

電流霍爾HL1、HL2檢測誤差大及U2模塊損壞均可造成電路過流保護。在電路運行時經示波器對電流霍爾的波形監測，顯示結果正常。而U2模塊在裝置停機時脫開IGBT，萬用表對該模塊檢測也正常，排除b、c項故障原因。

由此可以得出控制電路的過流故障應是IGBT驅動信號出錯或過流保護電路抗干擾能力不足而引起的。對d項故障原因進行分析。

IGBT驅動信號是由TL494輸出的脈沖寬度調制PWM波。TL494內部由以下幾個環節組成，內部電路如圖3所示[2]。

a) 電源：12 V電源送入TL494的12端，其內部電路變為一個+5 V標準電源，由14端輸出。

b) 鋸齒波發生器：由 CT、RT構成振蕩器，產生鋸齒波，5端的鋸齒波頻率f= 1.1/(RTCT)=20 kHz。即為電路的控制頻率。

c )兩個誤差放大器

通過外接電阻電容可以構成兩個運算放大器，在控制系統中誤差放大器 I(輸入端為 1，2)作為電壓調節器。由TL494 的14端經分壓得到Vg＝2.5 V送給2端。輸出電壓U0經分壓后引入到1端，2、3點之間接入負反饋電路。另外誤差經放大器(Ⅱ輸入端為15，16)可作為電流調節器，15端接入2.5 V對應電流給定，輸出電流I0經霍爾傳感器HL3得到檢測信號，經分壓后送到誤差放大器Ⅱ的16端，當負載電流小于2倍額定電流時，放大器Ⅱ的輸出電壓小于放大器Ⅰ的輸出電壓，D1導通，D2截止，這時電壓 V3由電壓調節放大器Ⅰ決定，系統在電壓負饋作用之下穩壓運行，當負載電流超過2倍額定電流，放大器Ⅱ的輸出大于放大器Ⅰ的輸出，D2導通，D1截止，于是 V3由電流調節放大器Ⅱ決定，使得系統處于限流狀態運行。經示波器監測IGBT驅動波形正常。

過流保護電路如圖4所示。

正常過流保護的工作原理：兩個電流霍爾HL1及HL2對直流母線電流進行采樣比較，取采樣值大的進入LM319正端，LM319負端為電壓基準，由電阻R3、R4分壓為LM319負端提供7.5V的基準電壓。若直流母線上電流值小于允許值則輸出為0。D2中2個與非門構成RS觸發器，此時三極管T1截止，H1過流指示燈不亮。當直流母線上電流值高于允許值，三極管T1導通，H1報警指示燈亮，表示過流報警，此報警已鎖存。

圖3 芯片TL494內部電路

控制電路誤保護 IGBT停止工作電路無直流輸出。一旦重新啟動，控制電路工作恢復正常，電路正常直流輸出，與控制電路受干擾引起過流報警故障現象較為符合。參見圖4過流保護電路，RS觸發器是由4011芯片中的2個與非門構建。4011芯片的低電平為0.05 V，高電平為11.95 V。原用于鎖存過流信號的RS 觸發器的輸出端通過引線接到機箱面板的指示燈 H1上，未加隔離器件，外部的干擾信號會導致 RS觸發器翻轉，導致控制電路過流保護。故障定位后，在 4011的10，11腳增加0.01 μf電容后，變換電路能可靠正常工作，未出現過誤報警現象，由此故障可以準確定位在過流保護電路抗干擾能力不足。

2.3 故障結論及改進

針對故障一加強產品質量控制，遵循標準及企標規定，并加強元器件采購、檢驗及篩選控制流程。

針對故障二即在外接指示燈的 R-S觸發器輸出端接C1、C2兩個0.01 μF電容，濾除干擾信號，防止指示燈引線引入的干擾引起過流保護電路誤動作。修改后的過流保護電路如圖5所示。

圖4 過流保護電路圖

圖5 修改后的過流保護電路圖

3 結論

通過對變換電路的設計改進和試驗，很大程度的提高了基于該變換電路電源變換裝置的可靠性。該裝置已多批次裝船使用，實船使用效果比較理想，有力地保證了全船直流低壓電網供電的安全性及可靠性。該裝置設計方案及故障處理措施可廣泛應用相關電力電子器件變換領域，并作為一種成熟可靠直流電源電路具有推廣價值。

[1]陳堅.電力電子學.北京： 高等教育出版社, 2001.

[2]徐正喜, 陳濤. 艦用直流升壓變換電路研究[J]. 艦船科學技術, 1998, 6： 3-4.