一种舰用电力电子变换电路的故障分析与改进

陈淼 魏华 耿攀

(武汉第二船舶设计研究所，武汉 430064)

1 引言

随着舰船自动化程度提高，设置大量低电制电磁阀、电动执行机构及传感器、变送器等测量用电设备。这些用电设备与舰船安全可靠运行关系密切，需要低压直流电源供电。为此研制可靠电源装置将舰船三相50 Hz，380 V交流电源变换为低压直流电源的变换装置。

交流电源对直流负载供电，可采用的电力变换方案有：a)不控整流；b)相控整流；c)带工频变压器的相控整流；d)先经不控整流再采用不隔离的高频 DC/DC变换器；e)AC/DC不控整流、DC/AC高频逆变、AC/DC整流三级变换[1]。为保证输出直流电压纹波小，动态特性好，采用三级电力变换，其实现方案如图1所示。

图1 交流供电时直流电源实现方案图

图1中通过中间一级高频方波逆变（DC/AC），同时高频变压器将直流负载与交流电网隔离，高频变压器输出侧直流L2,C2滤波器重量体积不大。

舰用电力电子变换电路技术参数要求：

输入电压：3 Φ，50 Hz，AC380 V；

输出电压：DC25 V；

输出容量：2.5 kW。

变换电路由滤波电路、升压电路、逆变电路、降压电路以及各种检测电路组成。控制电路由辅助电源、IGBT驱动电路和过流、过压等保护电路组成。IGBT驱动电路核心采用 PWM 芯片TL494, 逆变开关器件为 SIMENS公司的BSM200GB120DN2，驱动电路为EXB841。设置了过流、过压等保护电路，HL1检测直流母线正端的电流， HL2检测直流母线负端的电流。同时检测输出电压，将信号送至TL494,通过电压、电流误差放大器调整输出的 PWM 信号的占空比，从而调整输出电压使其稳定在DC25V。

变换电路原理图如图2所示。其中C1 、C2为分压电容。D1、D2 为三相整流桥。L2为直流母线上滤波电容。L3为输出滤波电容。T1为高频变压器，T2为整流变压器。U2为 2个 IGBT集成半桥模块，V1～V4为保护IGBT的稳压管。IGBT开通关断的驱动信号由控制板上TL494集成芯片发出，经EXB841驱动器件驱动。U4为可控硅，用来切除启动电阻R0。V0为半波整流单元。HL1、HL2为在直流母线正负极上设置的电流霍尔传感器件。

图2 电力电子变换电路原理图

2 故障分析及研究

2.1 故障现象

故障一：电路接通时，三相整流桥D2烧坏，同时AC380 V输入端熔芯烧毁。更换三相桥后恢复正常。故障时为长时间不通电后首次接通电源三相桥烧坏，且都是刚上主电，尚未启动。输入电压为AC380 V。

故障二：电路正常工作时，电路出现过流保护停机。切断电路重新接通，电路工作正常。

2.2 故障分析

根据故障一现象描述，电路故障原因有如下2种。

a）主电路可控硅U4上电时电压变化率du dt过大，导致出现无触发信号也能误导通，直流母线上电流过大。

b） 上电瞬间三相桥D2两端有过电压或过电流导致整流桥烧毁。

通过试验对上述故障进行复现，在反复通断电路情况下，检查三相整流桥是否故障。同时设置检测点进行相应参数监测。

针对故障原因中a）种情况，查阅可控硅U4参数为：

额定通态平均电流：55 A

断态（反向）重复峰值电压：1200 V

门极触发电流：52 mA

断态电压临界上升率：500 V/μs。

接通电路，用示波器监测直流主母线上电流值。上电瞬间可控硅正负极电压由0跳至540 V，峰值即 540 V，没有电压上冲。正母线电流由 0上升至5 A，充电完成后下降至2A（约80 ms）。波形显示小于可控硅 U4断态电压临界上升率500 V/μs。且多次试验三相整流桥均工作正常。

针对故障原因 b）种情况，整流桥技术参数为：

额定正向整流电流：30 A

最高反向工作电压：1200 V

三相桥输入410 V，C1、C2大电容两端电压为0时，上电瞬间三相桥D2两端电压由0跳变至约600 V，偶尔过充至700 V。D2输出电流由0跳变至7 A（最高8 A）然后下降，都小于三相桥参数值30 A/1200 V。且多次试验三相整流桥工作正常。根据以上分析，可以推断出故障原因应是三相整流桥器件批次质量问题。

根据故障二现象描述，电路故障原因有如下4种，即：

a）电路输出端短路；

b）电路中电流霍尔检测误差大；

c) 电路中IGBT模块损坏；

d) 电路中IGBT控制电路故障或受到干扰。

针对电路输出端负载某支路短路情况，检查各支路用电设备的绝缘、电路输入端、输出端的对地绝缘。经检查大于10 M，排除a项故障原因。

电流霍尔HL1、HL2检测误差大及U2模块损坏均可造成电路过流保护。在电路运行时经示波器对电流霍尔的波形监测，显示结果正常。而U2模块在装置停机时脱开IGBT，万用表对该模块检测也正常，排除b、c项故障原因。

由此可以得出控制电路的过流故障应是IGBT驱动信号出错或过流保护电路抗干扰能力不足而引起的。对d项故障原因进行分析。

IGBT驱动信号是由TL494输出的脉冲宽度调制PWM波。TL494内部由以下几个环节组成，内部电路如图3所示[2]。

a) 电源：12 V电源送入TL494的12端，其内部电路变为一个+5 V标准电源，由14端输出。

b) 锯齿波发生器：由 CT、RT构成振荡器，产生锯齿波，5端的锯齿波频率f= 1.1/(RTCT)=20 kHz。即为电路的控制频率。

c )两个误差放大器

通过外接电阻电容可以构成两个运算放大器，在控制系统中误差放大器 I(输入端为 1，2)作为电压调节器。由TL494 的14端经分压得到Vg＝2.5 V送给2端。输出电压U0经分压后引入到1端，2、3点之间接入负反馈电路。另外误差经放大器(Ⅱ输入端为15，16)可作为电流调节器，15端接入2.5 V对应电流给定，输出电流I0经霍尔传感器HL3得到检测信号，经分压后送到误差放大器Ⅱ的16端，当负载电流小于2倍额定电流时，放大器Ⅱ的输出电压小于放大器Ⅰ的输出电压，D1导通，D2截止，这时电压 V3由电压调节放大器Ⅰ决定，系统在电压负馈作用之下稳压运行，当负载电流超过2倍额定电流，放大器Ⅱ的输出大于放大器Ⅰ的输出，D2导通，D1截止，于是 V3由电流调节放大器Ⅱ决定，使得系统处于限流状态运行。经示波器监测IGBT驱动波形正常。

过流保护电路如图4所示。

正常过流保护的工作原理：两个电流霍尔HL1及HL2对直流母线电流进行采样比较，取采样值大的进入LM319正端，LM319负端为电压基准，由电阻R3、R4分压为LM319负端提供7.5V的基准电压。若直流母线上电流值小于允许值则输出为0。D2中2个与非门构成RS触发器，此时三极管T1截止，H1过流指示灯不亮。当直流母线上电流值高于允许值，三极管T1导通，H1报警指示灯亮，表示过流报警，此报警已锁存。

图3 芯片TL494内部电路

控制电路误保护 IGBT停止工作电路无直流输出。一旦重新启动，控制电路工作恢复正常，电路正常直流输出，与控制电路受干扰引起过流报警故障现象较为符合。参见图4过流保护电路，RS触发器是由4011芯片中的2个与非门构建。4011芯片的低电平为0.05 V，高电平为11.95 V。原用于锁存过流信号的RS 触发器的输出端通过引线接到机箱面板的指示灯 H1上，未加隔离器件，外部的干扰信号会导致 RS触发器翻转，导致控制电路过流保护。故障定位后，在 4011的10，11脚增加0.01 μf电容后，变换电路能可靠正常工作，未出现过误报警现象，由此故障可以准确定位在过流保护电路抗干扰能力不足。

2.3 故障结论及改进

针对故障一加强产品质量控制，遵循标准及企标规定，并加强元器件采购、检验及筛选控制流程。

针对故障二即在外接指示灯的 R-S触发器输出端接C1、C2两个0.01 μF电容，滤除干扰信号，防止指示灯引线引入的干扰引起过流保护电路误动作。修改后的过流保护电路如图5所示。

图4 过流保护电路图

图5 修改后的过流保护电路图

3 结论

通过对变换电路的设计改进和试验，很大程度的提高了基于该变换电路电源变换装置的可靠性。该装置已多批次装船使用，实船使用效果比较理想，有力地保证了全船直流低压电网供电的安全性及可靠性。该装置设计方案及故障处理措施可广泛应用相关电力电子器件变换领域，并作为一种成熟可靠直流电源电路具有推广价值。

[1]陈坚.电力电子学.北京： 高等教育出版社, 2001.

[2]徐正喜, 陈涛. 舰用直流升压变换电路研究[J]. 舰船科学技术, 1998, 6： 3-4.