低溫環(huán)境下在線監(jiān)測裝置電源可靠性研究

孫大為

(國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司，哈爾濱150090)

低溫環(huán)境下在線監(jiān)測裝置電源可靠性研究

孫大為

(國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司，哈爾濱150090)

針對低溫環(huán)境下在線監(jiān)測裝置電源能否可靠運行的問題，闡述了開關電源的基本工作原理和主電路結構，解析了推挽電路結構中各電氣量的波形和方程式，分析了低溫環(huán)境下影響在線監(jiān)測裝置電源運行的主要因素，指出了在線監(jiān)測裝置電源設計中容易失效的關鍵部位，通過試驗樣品測試檢驗開關電源的設計質量，并在黑龍江省兩個低溫地區(qū)進行了實施，驗證了開關電源設計的可靠性。

在線監(jiān)測；電源；可靠性；低溫環(huán)境

近年來，隨著信息技術的發(fā)展以及傳感器技術的日益成熟，在智能化理論方面如神經(jīng)網(wǎng)絡和專家自適應系統(tǒng)的基礎上，形成了智慧化、智能化的輸、變電設備在線監(jiān)測系統(tǒng)。現(xiàn)有先進技術的應用，可預見輸電、變電設備的狀態(tài)檢修必將進入智能化的新時代。而輸變電在線監(jiān)測的電源是整個系統(tǒng)得以可靠運行的關鍵考慮因素，尤其的黑龍江地區(qū)冬季的低溫環(huán)境下，需要特別考慮[1]。 目前電源的選擇，多數(shù)采用開關電源。開關電源是利用電力電子技術，通過高頻脈沖寬度調制(PWM)信號來控制開關管，控制電路的高速開通與關斷，實現(xiàn)電能的按需變換，即把電源變換成為所需要的一組或多組電壓。這種開關電源具有高的轉換效率、大的功率密度的特點，而且其穩(wěn)定性較好、體積較小，能夠適應低溫工作，已經(jīng)基本上取代了傳統(tǒng)的線性電源，成為現(xiàn)在主流使用的電源[2]。開關電源的可靠性直接影響到設備正常連續(xù)工作的穩(wěn)定性，對監(jiān)測裝置電源的可靠性提出更加嚴格的要求[3-6]。本文主要是以軍工級電源作為研究對象，闡述了開關電源設計的基本工作原理和主電路結構，分析了影響在線監(jiān)測裝置電源可靠性的關鍵部位，在低溫環(huán)境下用試驗方法檢驗開關電源的可靠性，通過現(xiàn)場實施驗證了電源設計的可靠性。

1 電源設計工作原理

開關電源一般主要由輸入電源的濾波電路、功率轉換模塊、轉換(隔離)變壓器、整流濾波電路、采樣比較電路、光電耦合隔離模塊、脈寬調制器電路和外圍相關的輔助電路組成。電源模塊構成設計原理框圖如圖1所示。

圖1 電源模塊構成設計原理框圖

開關電源基本工作原理：由電網(wǎng)的輸入電壓VIN經(jīng)過輸入濾波環(huán)節(jié)，過濾掉電路中的一些干擾信息，經(jīng)過過濾的電源再經(jīng)過功率轉換模塊變換為含有交流分量的方波電壓，方波電壓再通過變壓器的轉換，得到另一個電壓等級的方波電壓，由變壓器輸出的電壓再經(jīng)過整流濾波模塊變換為工作設備所需要的電壓。在這個過程中，變壓器起到了電壓變換與隔離的雙重作用，脈寬調制電路主要是用來調制電路中開關管的開通和關斷的構成比例，從而達到調整電壓大小的目的，最終實現(xiàn)對電壓的變換。功率轉換電路、整流濾波電路以及變壓器構成開關電源的主電路，分析電源的可靠性主要還是對其主電路進行研究與分析。

2 主電路電源波形分析

電源主電路結構的拓撲形式有很多種，包括Boost拓撲結構、BUCK拓撲結構、推挽變壓器結構、正激變壓換器結構、半橋轉換器拓撲結構以及全橋變換器拓撲結構，其中推挽變換器結構是應用范圍最廣的一種拓撲類型[7]。本文分析的電源就是采用了推挽變換器結構，電源的主電路結構如圖2所示。在圖2中，Q1和Q2均為VDMOS管，D1和D2均為整流二極管，Cin為輸入電容，C1和C2為輸出電容。

圖2 電源主電路結構示意圖

由于電源模塊中的PWM控制電路為開關管Q1和Q2柵極提供兩個幅值相等、脈寬可調、相位差180°的脈沖電壓Vg1和Vg2，作為其柵極驅動電壓，因此需要柵極驅動電壓Vg1和Vg2要有一定的數(shù)值，以確保VDMOS開關管導通時的漏源極電壓不會太大。在理想情況下，一般認為VDMOS開關管導通壓降為0V。在主路拓撲結構中，當任意一個開關管經(jīng)觸發(fā)導通后，就會為對應的初級半繞組提供幅值為Vdc的方波電壓。理想條件下次級半繞組的電壓為幅值為Vdc的方波電壓。

從圖3中可以看出，在t2時刻過渡到t3時刻的過程中，兩個開關管均處于關閉狀態(tài)，此段時間區(qū)間稱之為死區(qū)。在t2時刻，開關管Q1關閉，開關管Q2也處于關閉狀態(tài)，電感L1的前端電壓為負。當該電壓低于零電位約一個二極管的管壓降時，兩個整流二極管將同時導通，這時每一整流管導通的電流約為開關管關斷前電感內流過的總電流1/2，如圖3中的(C)和(f)波形圖。此時，整流二極管D1、D2起到續(xù)流的作用。由于次級半繞組的阻抗值相對很小，故在其上的壓降也很小，可以不考慮。整流二級管的陰極電壓被嵌位在0.7V左右，如圖3中的(g)和(h)波形圖。由于在這兩個次級半繞組上，其壓降均為0，根據(jù)同名端的定義，初級半繞組上的壓降也為0，故在死區(qū)期間兩個關斷晶體管的漏源極間電壓為Vdc，如圖3中的(C)和(d)波形圖。

圖3 推挽電路結構中各電氣量的波形

由圖3中還可以看出，從t3時刻過渡到t4時刻，開關管Q2處于導通狀態(tài)，其工作過程及電壓分布情況與t1到t2時刻區(qū)間類似；在t4時刻到t5時刻的區(qū)間內，兩個開關管均處于關閉狀態(tài)，工作過程及電壓分布情況與t2時刻到t3時刻區(qū)間內的情況類似。

考慮到輸出電路中整流二極管的正向壓降VF的影響，整流二極管陰極的輸出將會是一個平頂方波，該方波的導通時間為Ton、幅值大小為Vdc-Vp。其中VF是整流二極管的正向導通壓降，一般約為0.7V。在導通過程中，每半個周期(T/2)都將會存在一個占空比為Ton的脈沖，故整流二極管陰極輸出脈沖的占空比為Ton/T的2倍。在通過后極的整流濾波環(huán)節(jié)后，得到直流電壓的大小為整流二極管陰極輸出電壓平均值，該電路輸出的直流電壓Vo為

3 低溫環(huán)境下電源關鍵部位分析

從圖2和圖3中分析可以看出，開關管和肖特基二極管的負載性質均為感性，處于不斷地開或關工作狀態(tài)，在開關導通過程中產(chǎn)生的瞬間電流、電壓變化都很大，極易導致器件損壞或損傷；在實際設備工作的情況下，電源模塊內部存在復雜的電磁干擾，開關管、整流管在導通和關斷的瞬間還存在電壓電流沖擊。例如，開關管VDMOS關斷的瞬間，流過開關管的電流將快速下降，從而產(chǎn)生以變壓器漏感底端為正，幅值大小為L1di/dt的尖峰電壓，該電壓將疊加到被關斷的開關管的電壓上，該過程極易損壞開關管，尤其是當變壓器漏感較大時，其破壞性將更大。肖特基二極管工作過程中存在同樣的問題。功率開關元件以及肖特基二極管，在開通和關斷的動作瞬間會有電壓電流間的重疊，產(chǎn)生交流開關損耗，開關損耗很容易造成開關管失效。另外，從肖特基二極管的結構特點也可以分析出，在肖特基二極管金-半接觸面上，開關管VDMOS 中的G-S與G-D間的電流熱擊穿和各種焊接材料間的互相擴散，會導致功率模塊器件的電熱遷徙。因此，開關管VDMOS以及整流結構部分的肖特基二極管是開關電源電源模塊的薄弱環(huán)節(jié)，操作不當易導致整個模塊的損傷或者失效。

4 低溫環(huán)境下電源的可靠性試驗

為了分析電源的可靠性，電源結構模塊中的關鍵器件VDMOS可靠性試驗的電應力偏置系統(tǒng)結構如圖4所示。

圖4 電應力偏置系統(tǒng)結構示意圖

從圖4可以看出，在偏置系統(tǒng)結構中，VDMOS樣品被固定于石棉板上，保證樣品間互相絕緣。試驗時，將石棉板與樣品一起放入高低溫試驗箱中，與樣品相連的連接導線選用電流容量大于1A高溫導線。在圖4中，偏置系統(tǒng)中需要設置兩個電源，其中一個電源為樣品提供漏源電壓Vds，另一個電源為樣品提供柵源電壓Vgs。其中為樣品提供柵源電壓的Vgs值可以用電位器進行調節(jié)，以確保在試驗過程中樣品的漏源電流Ids保持為恒定電流，試驗系統(tǒng)中可使用一個阻值為5Ω電阻作為樣品的限流電阻。

試驗的樣品導通電阻Ron的退化量均在15%以內，其它參數(shù)如亞閥值電流Id，擊穿電壓BVds基本維持不變。

在試驗過程中，樣品跨導gm的計算可以根據(jù)計算公式gm=IDS/VGS,由50mV的Vgs變化對應的Ids變化計算得到。

在試驗的樣品測試過程中，選用一些退化量首先達到gm≥20%gmo作為失效判據(jù)，根據(jù)圖4可靠性試驗的CETRM模型，用gm的退化來計算樣品的失效激活能力和正常工作條件下的壽命。CETRM理論模型可表示為

(1)

式中：M為樣品的失效敏感參數(shù)；t為試驗時間；dM/dt為敏感參數(shù)的退化速率；Q為樣品的激活能；n、m分別為電流密度冪指數(shù)因子和電壓冪指數(shù)因子；A為常數(shù)；K為波爾茲曼常數(shù)；T為試驗溫度。模型中的激活能Q表示為

(2)

式中，T1、T2、T3、T4為4個不同的試驗溫度。

在式(2)中，只有一個Q為未知量，由此即可計算出失效樣品激活能Q值，然后通過式(3)即可外推導出樣品壽命：

(3)

式中：t為外推工作壽命；T0為外推壽命的溫度；Q為失效樣品激活能；β為試驗的溫升速率。

5 低溫環(huán)境下現(xiàn)場實施驗證

為了驗證設計的電源是否符合低溫環(huán)境運行，本文將設計好的電源在慶北變220kV主變、齊齊哈爾拉哈變110kV主變在線監(jiān)測設備上安裝使用，自2015年8月安裝完成后，裝置在慶北變220kV主變經(jīng)歷了-30℃、齊齊哈爾拉哈變110kV主變經(jīng)歷了-33℃的考驗，運行狀況良好，驗證了電源設計的可靠性。

6 結 語

本文以輸變電在線監(jiān)測的軍工級電源作為研究對象，闡述了開關電源的基本工作原理和主電路結構，解析了推挽電路結構中各電氣量的波形和方程式，分析了影響在線監(jiān)測裝置電源可靠性的主要因素，指出了最容易造成電源損壞的元件為開關管VDMOS以及整流肖特基二極管。對低溫環(huán)境下開關電源進行了試驗和現(xiàn)場實施驗證，證明了所設計的電源在低溫環(huán)境下能夠連續(xù)穩(wěn)定運行。

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(編輯 侯世春)

Research on reliability design of on-line monitoring device in low temperature

SUN Dawei

(State Gird Heilongjiang Electric Power Company Limited, Harbin 150090, China)

Aiming at the problem of whether the power supply of on-line monitoring device can keep reliable operation under low temperature, the basic working principle of switch mode power supply and main circuit structure are expounded, the waveform and the equation of each electric quality in push-pull circuit structure are parsed, the main factors influencing power source operation of the online monitoring device under low temperature environment is analyzed, and the key parts easier to lose efficacy in power supply design of online monitoring device are pointed out. By testing samples, the design quality of switching mode power supply is tested and measures are taken on two low temperature regions in Heilongjiang Province verifying the reliability of the switching mode power supply design.

online monitoring; power supply; reliability; low temperature environment

2017-01-11。

孫大為(1963—)，男，高級工程師，研究方向為電網(wǎng)運維檢修管理。

TP202+.1

A

2095-6843(2017)02-0106-04