判斷開關穩(wěn)壓電源變換器工作情況的一種方法

高 嵩，陳志強

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

1 引言

開關穩(wěn)壓電源與線性穩(wěn)壓電源相比，具有更多優(yōu)點，比如小型輕量、效率高、容易對應較寬的輸入電壓范圍等。這些優(yōu)點適應于電子設備的輕、薄、短、小與節(jié)能的要求，通過改變變壓器抽頭與電路元器件常數(shù)，還可實現(xiàn)設備在輸入電壓不同的國家的使用。因此，開關穩(wěn)壓電源的應用范圍迅速擴大，市場前景看好[1]。

開關穩(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，開關穩(wěn)壓電路的所有部分都會受到影響。通過觀測開關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。正向激勵變換器是此類器件中具有代表性的一款，以此為例，對此種故障檢測法進行研究。

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]。通常情況充當隔離器件的是變壓器，而變壓器的主要作用就是用來將輸入與輸出信號進行電氣隔離。正激型變壓器開關電源，是指當直流電作用在變壓器的初級線圈上時，會在變壓器的次級線圈輸出相應的能量。正激式變換器的等效電路圖如圖1所示。通過改變變壓器線圈匝數(shù)比，可將輸入電壓轉換成兩種不同的電壓值。圖中T是變壓器，V是開關管，電容C2和C3是用來儲能濾波的，L是儲能濾波電感，VD3二極管用來進行續(xù)流[3]。

圖1 正激式變換器等效電路[4]

當開關管V導通時，功率變壓器的初級繞組中就會產(chǎn)生一個電流，能量被存儲在初級繞組線圈中。因為變壓器的初級線圈與次級線圈具有相同的極性，所以這個存儲的能量就會通過磁感應的方式傳給次級繞組。VD2的正極電壓大于負極電壓，因此該二極管會導通，能量就通過此二極管傳遞到電感L中。由于電感具有存儲能量的能力，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極電壓，所以VD3處于反向截止狀態(tài)。當開關管V處于截止狀態(tài)時，變壓器線圈中的電流會逐漸減小，而變壓器的線圈繞組會阻礙電流的變小趨勢，因此感應電動勢會在變壓器T的次級繞組和初級繞組中產(chǎn)生，其方向與原來的電動勢方向相反，因此二極管VD2處于反向截止狀態(tài)，而此時續(xù)流二極管VD3便會正向導通，電流會通過VD3和負載流回電感L中，這樣負載電路工作所需的能量就會從電感L中獲取。有了這些能量，在V關斷時負載電路的電壓和電流就會維持不變。

開關電源在工作的時候還涉及到一個很重要的去磁問題。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被廣泛應用于開關電源變換器中充當占空比調(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行釋放，再利用無功電阻將其消耗掉。

3 變換器常見故障及觀測方法

3.1 變換器常見故障及解決辦法

開關電源變換器經(jīng)常會發(fā)生帶載情況下沒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：電源輸入斷開或輸出端短路，過壓、過流保護電路損壞，振蕩電路不能正常工作，負載超過了電源的帶載能力，等等。

對此，排除故障過程如下：首先，用萬用表測量一下與變壓器次級線圈相連的各個元器件能否正常工作，電源與負載連接線是否斷開、虛焊。如果高頻整流二極管沒有擊穿損壞、負載沒有短路斷路的情況，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的控制器和過壓保護電路)。最后用萬用表靜態(tài)測量高頻濾波電路中整流二極管及低壓濾波電容是否損壞。在工作時間較長的電源中，各元器件的老化，焊點開焊或者散熱不好等因素，都會導致電源帶載能力下降。

3.2 變換器故障觀測方法

可以通過觀測開關晶體管的電壓與電流的波形來快速定位發(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)的開關晶體管的發(fā)射極-集電極所構成。在開關晶體管截止的瞬間，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。當電容C的值過小時，晶體管截止時的電壓上升速度會加快，開關損耗增大；當電容C的值過大時，電容C中的能量不能有效返回電源中，所以因開關晶體管導通，吸收電路的損耗也增大了。電容C的作用非常重要，在電路效率為適當值的情況下，段為C選用適當取值。

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移到電容C中，TB期間電容中能量通過變壓器的1次繞組返回到輸入電源。若該能量轉移結束，則電容C上電壓等于電源電壓VI。開關晶體管導通時，電容C中蓄積的能量為CVI2/2，該能量變?yōu)殚_關晶體管電阻部分的無效功率被消耗掉了。因此，若開關頻率為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過小時，如圖2(b)所示，開關晶體管截止時電壓上升速度變快，開關損耗也隨之增加，而且發(fā)射極-集電極之間電壓也增高了；反之，電容量C過大，如圖2(c)所示，電容中的能量不能完全返回電源端，開關晶體管處于導通狀態(tài)，因此，吸收電路消耗的功率增加。

對于圖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，該能量轉移到電容C中，這時漏感的影響不可忽略，其對波形的影響如圖3所示。圖2和圖3都發(fā)生在開關晶體管導通之前，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，開關晶體管截止時電壓尖峰會增多，電壓上升速度也會變快，從而增大損耗。在開關晶體管截止、漏感產(chǎn)生尖峰信號之后，將發(fā)生如圖4所示的振蕩。在很多情況下，引線電感等會使變壓器T的輸入部分電壓產(chǎn)生振蕩，為此，這部分的引線應當越短越好[7]。如圖5所示，集電極電壓波形的一部分被鉗位時，輔助電源繞組NA的極性變反，該繞組進行回掃工作。在同樣波形情況下，有必要檢查一下，加載與開關晶體管并聯(lián)的穩(wěn)壓二極管等過壓保護元件上的電壓是否有問題。

圖4 輸入電源振蕩時集電極電壓波形

圖5 輔助電源繞組極性變反時的VCE波形

另外，可以根據(jù)集電極波形來判斷2次側扼流圈L的電感是否適當。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?？臁D6(c)示出變壓器或2次側扼流圈磁芯飽和時的波形。扼流圈磁芯飽和時，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，負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 電感對集電極電流波形的影響

因此，通過觀測三極管集電極電壓的波形，就能知道此時變換器的工作狀態(tài)，再配合常見故障特征，進而能夠對故障進行快速準確的定位。

4 結束語

介紹了變換器的幾種常見故障及其解決辦法，通過觀測開關晶體管的電壓與電流波形，可及時發(fā)現(xiàn)變換器存在的問題，并快速進行故障定位。本研究中的說明僅限正向激勵變換電路，而其他類型電路可以借用此種方式了解變換器的工作情況。在現(xiàn)實工作中，借此能夠快速發(fā)現(xiàn)開關穩(wěn)壓電源變換部分發(fā)生的故障并及時排查，對于任何工程來說都是具有實際意義的。