电源变换器供电中断故障原因分析及改进方法

电源变换器供电中断故障原因分析及改进方法

展宏图1 ,展翅飞2

（1.航空工业西安航空计算技术研究所，陕西 西安710119

2.航空工业陕西千山航空电子有限责任公司，陕西 西安710119）

摘要：本文介绍了电源变换器的工作原理，重点分析了电源变换器供电中断的原因。在此基础上，提出了改进的解决方案，为今后电源变流器故障的维修提供参考。

关键词：电源变换器；供电中断；故障分析

1. 引言

电源变换器是一种机载整机开关电源，其作用将机上三相115V/400Hz交流电变换为三相36V/400Hz交流电，供机上自动飞行控制系统、惯性导航系统、飞行参数记录仪、航姿、雷达、发动机电气系统等系统作激磁和参考。本文介绍了电源变换器的工作原理，重点分析了电源变换器供电中断的原因。在此基础上，提出了改进的解决方案，为今后电源变流器故障的维修提供参考。

2. 电源变换器的工作原理

电源变换器主要由三相输入电源滤波器、功率变压器、功率转换电路和控制电路组成，将机上115V/400Hz交流电转换成36V/400Hz交流电，运用PWM交流斩波技术，使用UC1823型PWM芯片进行开关控制。其原理框图如图1 所示，主开关V4、V5、V6用于交流斩波，周期性地使负载与交流输入电源接通和非接通，当V4、V5、V6关断时，辅助开关V13使负载电流续流。V4、V5、V6和V13互补导通。功率变压器用于给负载提供合适的电压并隔离负载。

图1　电源变换器原理框图

3. 故障概述

电源变换器上电测试发现一个异常现象：在进行输入供电中断操作时，出现输出电压异常且波形畸变的现象。波形如图2所示，正常输出波形应为正弦波形，幅值为36V，频率400Hz。此时，输出电压有效值为20Vac左右，低于输出正常有效值32.4Vac～37.8Vac，波形畸变，非正弦波。

图2　电源变换器故障输出波形

4.故障树分析定位

根据电源变换器工作原理，与输出电压波形异常相关的功能结构包括输入降压变压器、辅助电源、PWM控制器、驱动电路、主功率开关管、采样反馈电路、输出LC滤波电路。其原理框图，如图3所示。现以电源变换器输出电压功能框图为依据，设“电源变换器输出电压波形异常”为顶事件，对应建立7个底事件，构建故障树，如图4 所示。

图3　电源变换器输出电压功能框图

图4　电源变换器输出电压波形异常的故障树

X1、X2、X3底事件。当输入降压变压器、辅助电源、PWM控制器任意电路发生故障时，都会导致输入电压故障，使得电源变换器输出电压波形异常。经过故障串件隔离、测试排查上述三个电路性能良好，工作正常，未见异常。可排除X1、X2、X3底事件。

X4底事件。主开关场效应管V4、V5、V6用于交流斩波，是电源变换器电路中用于电压变换的主功率管。UC1823型PWM控制芯片产生脉宽信号，通过分频电路后，经由驱动电路控制场效应管V4、V5、V6、V13。电源变换器输出电压波形是由开关场效应管的工作波形决定，即脉宽信号决定的，若其工作异常，必然导致电源变换器输出电压异常。测量主功率开关管V4、V5、V6的驱动波形，并分别记录产品在正常工作以及发生故障时的驱动波形，波形如图5所示。

正常驱动波形                   故障时驱动波形

图5　V3、V4、V5驱动波形

由图5可知，此时电源变换器控制电路进入最大脉宽状态，且故障时的驱动波形的幅值仅有3V，远低于正常工作时的驱动电压8V。开关管V3、V4、V5选用IRFM250场效应管，其开启电压VGS为2～4V。IRFM250为增强型MOS场效应管，当栅-源极开启电压低于4V，漏极没有电流流过[1]；当栅-源极开启电压大于4.5V时，漏极电流才能达到1A[1]。3V的开启电压使开关管处于不完全导通状态，导致输出波形畸变。X4底事件不可排除。

X5、X6、X7底事件。当主功率开关管、采样反馈电路、输出LC滤波电路任意电路发生故障时，都会导致电源变换器输出电压波形异常。经过仔细测试这三个电路的元器件其静态性能良好，未见任何异常。可排除X5、X6、X7底事件。

根据上述分析，该故障是由于电源变换器主功率开关管开启电压低，使开关管处于不完全导通状态，导致输出波形畸变造成的。

5. 故障机理分析

电源变换器开关管的驱动控制由PWM控制器、隔直电容、驱动变压器等电路构成。隔直电容起到隔离直流、通过交流的作用，将PWM控制器发出的波形传递到变压器上。如图6所示。

图6　V3、V4、V5驱动电路

隔直电容的伏-秒平衡特性是防止变压器磁芯直流偏磁，脉宽变窄时，幅值变高；脉宽变宽时，幅值变低。在电源变换器瞬态启动进入最大脉宽状态后，驱动电压的幅值会降低，造成开关管栅源极驱动电压不足、开关管处于不完全导通状态，输出电压变低。这是使用该型驱动电路的固有特性。通过对PWM控制芯片软启动管脚外接电压基准源，对电源变换器PWM芯片的占空比进行设置。该管脚电压大于4V时，可进入最大占空比状态；该管脚电压小于4V时，无法进入最大占空比状态。当最大占空比设置在0.5以下时，对电源变换器进行供电中断试验，故障消失；当最大占空比设置在0.5以上时，对电源变换器进行供电中断试验，输出电压出现畸变波形，故障复现。

6. 故障改进方案及验证

由于该型驱动电路的固有特性。根据分析及试验可以得出，驱动波形占空比大于0.5后，会出现该故障现象。因此限制控制回路进入大占空比，可以消除该故障现象。

电路中UC1823芯片的8脚为软启动管脚，PWM芯片通过该管脚电压幅值，来实现控制回路的软启动功能[2]。即，在该管脚电压幅值低的时候，PWM芯片输出相对窄的驱动脉宽；在该管脚电压幅值高的时候，PWM芯片输出相对宽的驱动脉宽。所以限制8管脚电压幅值，可以限制输出脉宽宽度(占空比)。UC1823芯片8脚参数[2]，如图7所示。

图7　UC1823芯片8脚参数[2]

由图7中UC1823芯片8脚参数可知，最大电压幅值为6V，则0.5占空比室电压幅值应为3V。根据实测，该管脚电压值在3.5V～4.0V时，既可以正常输出，也可以避免由大占空比引起的输出异常。通过稳定的电压源，对8管脚进行稳定的电压钳位控制。利用UC1823芯片16脚的基准电压源进行分压，对8脚电压进行钳位。改进方案见如图8所示。

图8　UC1823芯片ＰＷＭ占空比改进方案

图9　UC1823芯片基准电压参数[2]

使用10K和27K电阻，对芯片5.1V基准进行分压，理论值3.72V，实测3.74V。由图9中标识处参数可知，该管脚驱动电流值不小于10mA，使用10K和27K电阻分压，电阻上流过的电流约为137uA，远小于该管脚驱动电流值，满足使用要求。该方案是通过基准电压源分压得到钳位电压，该芯片基准电压源均有良好的温度特性、较高的精度、较大的负载能力，满足该钳位电压的使用。经过改进使软启动时间由600mS变化为50-60mS。电源变换器进行供电中断测试验证，其输出波形为稳定正弦波，电压正常。故障排除，验证合格。

7 结论

通过本次故障定位和机理分析，确定此次供电中断故障的原因为：在电源变换器瞬态启动进入最大脉宽状态后，驱动电压的幅值会降低，造成开关管栅源极驱动电压不足、开关管处于不完全导通状态，输出电压变低，导致输出故障。利用UC1823芯片，PWM芯片通过该管脚电压幅值，来实现控制回路的软启动功能。

参考文献：

[1] Document Number 3351 Issue3, N-CHANEL POWER MOSFET[S].

[2] Copyright@2010,Texas Instruments Incorporated High Speed PWM Controller[S].

1作者简介：展宏图（1986-）男，河南南阳人，硕士，研究方向：机载计算机开关电源故障诊断。2作者简介：展翅飞（1986-）女，河南南阳人，硕士，研究方向：机载计算机科研项目管理。