低温环境下在线监测装置电源可靠性研究

孙大为

(国网黑龙江省电力有限公司，哈尔滨150090)

低温环境下在线监测装置电源可靠性研究

孙大为

(国网黑龙江省电力有限公司，哈尔滨150090)

针对低温环境下在线监测装置电源能否可靠运行的问题，阐述了开关电源的基本工作原理和主电路结构，解析了推挽电路结构中各电气量的波形和方程式，分析了低温环境下影响在线监测装置电源运行的主要因素，指出了在线监测装置电源设计中容易失效的关键部位，通过试验样品测试检验开关电源的设计质量，并在黑龙江省两个低温地区进行了实施，验证了开关电源设计的可靠性。

在线监测；电源；可靠性；低温环境

近年来，随着信息技术的发展以及传感器技术的日益成熟，在智能化理论方面如神经网络和专家自适应系统的基础上，形成了智慧化、智能化的输、变电设备在线监测系统。现有先进技术的应用，可预见输电、变电设备的状态检修必将进入智能化的新时代。而输变电在线监测的电源是整个系统得以可靠运行的关键考虑因素，尤其的黑龙江地区冬季的低温环境下，需要特别考虑[1]。 目前电源的选择，多数采用开关电源。开关电源是利用电力电子技术，通过高频脉冲宽度调制(PWM)信号来控制开关管，控制电路的高速开通与关断，实现电能的按需变换，即把电源变换成为所需要的一组或多组电压。这种开关电源具有高的转换效率、大的功率密度的特点，而且其稳定性较好、体积较小，能够适应低温工作，已经基本上取代了传统的线性电源，成为现在主流使用的电源[2]。开关电源的可靠性直接影响到设备正常连续工作的稳定性，对监测装置电源的可靠性提出更加严格的要求[3-6]。本文主要是以军工级电源作为研究对象，阐述了开关电源设计的基本工作原理和主电路结构，分析了影响在线监测装置电源可靠性的关键部位，在低温环境下用试验方法检验开关电源的可靠性，通过现场实施验证了电源设计的可靠性。

1 电源设计工作原理

开关电源一般主要由输入电源的滤波电路、功率转换模块、转换(隔离)变压器、整流滤波电路、采样比较电路、光电耦合隔离模块、脉宽调制器电路和外围相关的辅助电路组成。电源模块构成设计原理框图如图1所示。

图1 电源模块构成设计原理框图

开关电源基本工作原理：由电网的输入电压VIN经过输入滤波环节，过滤掉电路中的一些干扰信息，经过过滤的电源再经过功率转换模块变换为含有交流分量的方波电压，方波电压再通过变压器的转换，得到另一个电压等级的方波电压，由变压器输出的电压再经过整流滤波模块变换为工作设备所需要的电压。在这个过程中，变压器起到了电压变换与隔离的双重作用，脉宽调制电路主要是用来调制电路中开关管的开通和关断的构成比例，从而达到调整电压大小的目的，最终实现对电压的变换。功率转换电路、整流滤波电路以及变压器构成开关电源的主电路，分析电源的可靠性主要还是对其主电路进行研究与分析。

2 主电路电源波形分析

电源主电路结构的拓扑形式有很多种，包括Boost拓扑结构、BUCK拓扑结构、推挽变压器结构、正激变压换器结构、半桥转换器拓扑结构以及全桥变换器拓扑结构，其中推挽变换器结构是应用范围最广的一种拓扑类型[7]。本文分析的电源就是采用了推挽变换器结构，电源的主电路结构如图2所示。在图2中，Q1和Q2均为VDMOS管，D1和D2均为整流二极管，Cin为输入电容，C1和C2为输出电容。

图2 电源主电路结构示意图

由于电源模块中的PWM控制电路为开关管Q1和Q2栅极提供两个幅值相等、脉宽可调、相位差180°的脉冲电压Vg1和Vg2，作为其栅极驱动电压，因此需要栅极驱动电压Vg1和Vg2要有一定的数值，以确保VDMOS开关管导通时的漏源极电压不会太大。在理想情况下，一般认为VDMOS开关管导通压降为0V。在主路拓扑结构中，当任意一个开关管经触发导通后，就会为对应的初级半绕组提供幅值为Vdc的方波电压。理想条件下次级半绕组的电压为幅值为Vdc的方波电压。

从图3中可以看出，在t2时刻过渡到t3时刻的过程中，两个开关管均处于关闭状态，此段时间区间称之为死区。在t2时刻，开关管Q1关闭，开关管Q2也处于关闭状态，电感L1的前端电压为负。当该电压低于零电位约一个二极管的管压降时，两个整流二极管将同时导通，这时每一整流管导通的电流约为开关管关断前电感内流过的总电流1/2，如图3中的(C)和(f)波形图。此时，整流二极管D1、D2起到续流的作用。由于次级半绕组的阻抗值相对很小，故在其上的压降也很小，可以不考虑。整流二级管的阴极电压被嵌位在0.7V左右，如图3中的(g)和(h)波形图。由于在这两个次级半绕组上，其压降均为0，根据同名端的定义，初级半绕组上的压降也为0，故在死区期间两个关断晶体管的漏源极间电压为Vdc，如图3中的(C)和(d)波形图。

图3 推挽电路结构中各电气量的波形

由图3中还可以看出，从t3时刻过渡到t4时刻，开关管Q2处于导通状态，其工作过程及电压分布情况与t1到t2时刻区间类似；在t4时刻到t5时刻的区间内，两个开关管均处于关闭状态，工作过程及电压分布情况与t2时刻到t3时刻区间内的情况类似。

考虑到输出电路中整流二极管的正向压降VF的影响，整流二极管阴极的输出将会是一个平顶方波，该方波的导通时间为Ton、幅值大小为Vdc-Vp。其中VF是整流二极管的正向导通压降，一般约为0.7V。在导通过程中，每半个周期(T/2)都将会存在一个占空比为Ton的脉冲，故整流二极管阴极输出脉冲的占空比为Ton/T的2倍。在通过后极的整流滤波环节后，得到直流电压的大小为整流二极管阴极输出电压平均值，该电路输出的直流电压Vo为

3 低温环境下电源关键部位分析

从图2和图3中分析可以看出，开关管和肖特基二极管的负载性质均为感性，处于不断地开或关工作状态，在开关导通过程中产生的瞬间电流、电压变化都很大，极易导致器件损坏或损伤；在实际设备工作的情况下，电源模块内部存在复杂的电磁干扰，开关管、整流管在导通和关断的瞬间还存在电压电流冲击。例如，开关管VDMOS关断的瞬间，流过开关管的电流将快速下降，从而产生以变压器漏感底端为正，幅值大小为L1di/dt的尖峰电压，该电压将叠加到被关断的开关管的电压上，该过程极易损坏开关管，尤其是当变压器漏感较大时，其破坏性将更大。肖特基二极管工作过程中存在同样的问题。功率开关元件以及肖特基二极管，在开通和关断的动作瞬间会有电压电流间的重叠，产生交流开关损耗，开关损耗很容易造成开关管失效。另外，从肖特基二极管的结构特点也可以分析出，在肖特基二极管金-半接触面上，开关管VDMOS 中的G-S与G-D间的电流热击穿和各种焊接材料间的互相扩散，会导致功率模块器件的电热迁徙。因此，开关管VDMOS以及整流结构部分的肖特基二极管是开关电源电源模块的薄弱环节，操作不当易导致整个模块的损伤或者失效。

4 低温环境下电源的可靠性试验

为了分析电源的可靠性，电源结构模块中的关键器件VDMOS可靠性试验的电应力偏置系统结构如图4所示。

图4 电应力偏置系统结构示意图

从图4可以看出，在偏置系统结构中，VDMOS样品被固定于石棉板上，保证样品间互相绝缘。试验时，将石棉板与样品一起放入高低温试验箱中，与样品相连的连接导线选用电流容量大于1A高温导线。在图4中，偏置系统中需要设置两个电源，其中一个电源为样品提供漏源电压Vds，另一个电源为样品提供栅源电压Vgs。其中为样品提供栅源电压的Vgs值可以用电位器进行调节，以确保在试验过程中样品的漏源电流Ids保持为恒定电流，试验系统中可使用一个阻值为5Ω电阻作为样品的限流电阻。

试验的样品导通电阻Ron的退化量均在15%以内，其它参数如亚阀值电流Id，击穿电压BVds基本维持不变。

在试验过程中，样品跨导gm的计算可以根据计算公式gm=IDS/VGS,由50mV的Vgs变化对应的Ids变化计算得到。

在试验的样品测试过程中，选用一些退化量首先达到gm≥20%gmo作为失效判据，根据图4可靠性试验的CETRM模型，用gm的退化来计算样品的失效激活能力和正常工作条件下的寿命。CETRM理论模型可表示为

(1)

式中：M为样品的失效敏感参数；t为试验时间；dM/dt为敏感参数的退化速率；Q为样品的激活能；n、m分别为电流密度幂指数因子和电压幂指数因子；A为常数；K为波尔兹曼常数；T为试验温度。模型中的激活能Q表示为

(2)

式中，T1、T2、T3、T4为4个不同的试验温度。

在式(2)中，只有一个Q为未知量，由此即可计算出失效样品激活能Q值，然后通过式(3)即可外推导出样品寿命：

(3)

式中：t为外推工作寿命；T0为外推寿命的温度；Q为失效样品激活能；β为试验的温升速率。

5 低温环境下现场实施验证

为了验证设计的电源是否符合低温环境运行，本文将设计好的电源在庆北变220kV主变、齐齐哈尔拉哈变110kV主变在线监测设备上安装使用，自2015年8月安装完成后，装置在庆北变220kV主变经历了-30℃、齐齐哈尔拉哈变110kV主变经历了-33℃的考验，运行状况良好，验证了电源设计的可靠性。

6 结 语

本文以输变电在线监测的军工级电源作为研究对象，阐述了开关电源的基本工作原理和主电路结构，解析了推挽电路结构中各电气量的波形和方程式，分析了影响在线监测装置电源可靠性的主要因素，指出了最容易造成电源损坏的元件为开关管VDMOS以及整流肖特基二极管。对低温环境下开关电源进行了试验和现场实施验证，证明了所设计的电源在低温环境下能够连续稳定运行。

[1] 余振醒．军用元器件使用质量保证指南[M]．北京：北京航天工业出版社，2003． YU Zhenxing. Militrary components using quality assurance guidelines[M]. Beijing: Beijing Aerospace Press, 2003.

[2] 周志敏，周纪海. 开关电源实用技术[M]．北京：人民邮电出版社，2003． ZHOU Zhimin, ZHOU Jihai. Switching power supply operative technology[M]. Beijing: Posts and Telecom Press, 2003.

[3] 侯振义，夏峥. 直流开关电源技术及应用[M]．北京：电子工业出版社，2006． HOU Zhenyi, XIA Zheng. The direct current switching power supply technology and application[M]. Beijing: Electronic Industry Press, 2006.

[4] 陈永真.单管变换器及其应用[M]．北京：机械工业出版社,2006． CHEN Yongzhen. Single tube converter applications[M]. Beijing: China Machine Press, 2006.

[5] 隋国正，张力大．FTU供电电源方案改进[J]．电工技术，2008(1) ：16-17． SUI Guozheng, ZHANG Lida. Improvements on FTU supplying [J].Electric Engineering, 2008 (1): 16-17.

[6] 孙帅．绝缘子污秽在线监测装置供电系统的研究与设计[D]．西安：西安科技大学，2013． SUN Shuai. The Research and Design of Power System for Insulator Contamination on-line Monitoring[D]. Xian: Xian Technological University, 2013.

[7] 朱春节，郭春生，李志国，等．开关电源模块可靠性的研究[J]．环境技术，2008(2)：41-43． ZHU Chunjie, GUO Chunsheng, LI Zhiguo, et al. The Study of the Reliability of Switching Power Supply，Environmental Technology[J]. 2008(2), 41-43.

(编辑 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。

孙大为(1963—)，男，高级工程师，研究方向为电网运维检修管理。

TP202+.1

A

2095-6843(2017)02-0106-04