熔断器的可靠性测试电源的实验研究

2018-03-26，，，，

浙江工业大学学报 2018年2期

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(1.浙江工业大学理学院浙江杭州 310023;2.杭州高联电子科技有限公司浙江杭州 310030)

熔断器作为电力系统重要保护设备广泛应用于变电站、轨道交通等电力系统以及航天、船舰等工业系统.由于使用熔断器的场所对安全隐患的极高要求，其可靠性测试非常严格[1-3].熔断器数千次的通电/关断电老化测试作为其可靠性最主要的性能受到各使用单位的重视，其电老化测试主要包括两种，恒流老化和恒压老化，其中恒流老化更符合其工作特性，而恒压老化作为辅助测试手段也得到应用[4-6].熔断器电老化测试电源要求性能稳定，具有高精度的稳压、恒流功能，且通电、关断以及工作时输出无过冲.

目前，国内熔断器电老化测试电源大多采用开关电源实现恒流功能，通过改变相应电位器阻值实现不同电流值的恒定[7].西安理工大学的皇金峰对各类开关电源进行数学建模以及软件仿真，分析了开关电源硬件稳压功能中超调量和相位裕量与补偿网络的关系，得出补偿网络参数合理的开关电源在输入电压信号固定时具有硬件稳压及防过冲能力的结论[8].华南理工大学的张冬梅、杨苹等通过数学建模以及软件仿真的方式分析了双闭环控制稳流型开关电源的恒流能力以及抗外界扰动能力[9-12].他们的研究验证了在输入电压固定或者输入范围较小的情况下开关电源的防过冲能力与抗扰动能力.国内的电压/电流输出恒定的老化电源，存在以下问题：1) 在整个输出范围内，启动电源到给定输出值以及电源系统突然断电时，电源电压输出有过冲，而大的过冲会破坏熔断器，影响产品测试结果；2) 电源恒流恒压参数操作一般通过电位器改变，需要手工调整；3) 负载调整率低，输出电流在全量程测量范围内线性度差.因此，针对熔断器可靠性测试要求，研制了一套以上位机参数设定，STM32F103RCT6[13]与SG3525协同控制的双闭环的电老化测试电源系统[14-16].电源规格为最大输出电压20 V，最大输出电流30 A，开机升压、关机无过冲，主机一对多通讯，上位机设定参数并实时监测电源工作状态，可实时监控与记录输出电压与电流，实现产品质量的可追溯性，熔断器熔断时自动升到设定的额定电压，输出精度及线性度更高，满刻度5%以上到全量程范围输出波动小于±1%.

1 硬件设计与改进

硬件系统主要由两部分构成，SG3525控制全桥开关电源及其反馈回路；以STM32为核心的控制与显示电路，与上位机的RS485总线通信电路.

1.1 全桥DC/DC变换器主电路设计

图1为稳压恒流电源系统结构图，图1中VT1，VT2，VT3，VT4构成的全桥PWM变换器将输入的直流电压Ui变成KUi(K为高频变压器副边与原边的比)的方波电压，此方波电压经后续LC电路整流成平滑直流电压，供给负载电阻Ro，其中VT1，VT2，VT3，VT4开通及关断时间由以SG3525为核心控制芯片的双闭环控制电路系统控制，SG3525的输出占空比决定了电路输出电压的大小.在电流采样放大电路加入调节环节，可以控制恒流值，在电压采样回路中加入调节环节，可以改变输出电压.国内很多厂家就是在这个环节加入一个电压比较电路，用0～5 V直流电压对应设定全量程的输出值，可惜这种方法属于开环设定，即使加入非线性矫正，全量程的线性度也不好，不能满足全量程范围输出值与设定值小于±1%要求.

图1 电源系统结构图Fig.1 Structure of power supply system

1.2 反馈回路的改进设计

在开关电源输出回路中，加入A/D转换环节，用AD7902转换的值作为最终值.由上位机决定由PC机送参数还是按键设定.如果由按键输入参数，控制芯片在液晶屏上显示参数(主要为电压电流预定值、开关循环次数以及一次循环的开通时间与关断时间等)，ARM芯片将参数送至数模转换芯片DAC8830转换为对应输出电压的模拟电压(这点与上节述说的相同)，控制开关电源输出，然后输出信号经采样，由AD7902芯片送回主控芯片STM32，STM32依据接收到的采样值作出设置值微调，构成反馈闭环调节，与SG3525协同控制的双闭环，大大提高控制精度，特别是全量程可以实现输出值与设定值小于±1%要求.

图2 软件控制原理框图Fig.2 Diagram of software control

1.3 A/D芯片选择

A/D芯片的采样值反映了实际输出值的大小，是STM32控制电路输出控制调整值的依据，A/D芯片的精度决定电源的控制精度，从理论上来说，±1%的精度要求，10位A/D可以满足要求，实际上考虑到一些干扰，需要更高一些，所以选用AD7902的2通道16位A/D，分别测量电流与电压参数.对AD7902芯片做一个全量程的测定，采用安捷伦的直流电源作为标准参考电压输入Ui，FLUKE公司生产的五位半精度万用表作为输入电压测量仪表，并在软件中读取AD7902芯片的模数转换值，记录了从0.5～5 V的随机7 个点，每个点在10 min内每分钟测1 次，得到如表1所示的数据.表1中：最大值、最小值分别为10 次读数中最大值与最小值；平均值为10 次读数的平均；最大偏差、线性偏差计算式分别为

(1)

(2)

式中：Vref为A/D芯片的参考电压，取值5 V；65 535 为16 位A/D与D/A芯片最大输出和最大采样时的值.

表1 AD7902芯片测试数据Table 1 Test data of AD7902

由表1数据可得：AD7902芯片每单点测试的增益误差最大不超过0.57%，微分非线性最大为0.80%，符合电源对1%精度的要求.

1.4 实时监测功能设计

由于熔断器电老化测试数量大，周期长，为了节省人工成本，设计的老化电源加入了实时监测功能，通过采用RS485总线实现PC机与多路电源一对多的主从机长距离通讯.以MAX487作为电平转换芯片的串行通信网络结构图，如图3所示.

图3 串行网络结构图Fig.3 Serial network structure

PC机主要功能参数设定，呼叫已进行地址编号的电源，接收呼叫电源发送到主机的电源工作信息并记录；从机电源主要按PC机要求进行工作，并将测得信号数据发送给主机.如果没有主机时，电源也可以独立工作.

1.5 防过冲设计

熔断器的电老化试验主要是数千次的开机/关机试验.开机/关机产生的过冲能量可能会引起熔断器失效，影响熔断器产品失效分析结果.所以，电源试验进行中，开通/关断时都不能产生过冲脉冲.电源过冲脉冲主要有两种，一种是电源刚启动时的过冲，另一种是电源在关断时的过冲.

实际应用中，电源规格多种多样，输出范围很广，由于硬件线路频率补偿网络的影响，传统电源一步到位式升压方式无法实现开关电源全范围输出无过冲的要求.设计以电源设置参数的±1%作为步进，匀速完成电源升压过程，防止电源启动时过冲.

循环试验时，通过软件设定电源电压和电流输出为零来实现电源的关断.设定输出的顺序非常重要，实测结果表明：必须首先设定输出电压为零，再设定输出电流为零，这样可以实现无下过冲.若先关闭电流，再关闭电压，或同时关闭，会产生下过冲.还有一种情况就是在试验过程中的意外，由于可靠性实验时间很长，有的可能达到10 000 h，这么长时间，万一有意外断电，就会出现下过冲.设计利用STM32的快速响应能力，检测交流电供给的直流电源，当低于某一电压，表明外部交流电断电，立即主动关断电源，防止断电过冲的出现，并留下信息，在用户再次开机时，可以选择继续或中断实验.

2 测试结果

2.1 电源精度测试

针对目前国内熔断器电老化测试电源存在的缺陷，提出了通过软硬件结合的方式，实现STM32F103RCT6与SG2535协同控制的双闭环的控制，硬件电路输出电压、电流值，并通过软件微调控，使得熔断器可靠性测试电源在测量的全量程范围之内精度达到±1%.对于所设计的规格为20 V，30 A的电源，通过电源空载形式测试电压精度；带电子负载(以电阻形式)监测电流精度，测试数据如表2，3所示.

表2 电压精度测试Table 2 Test of voltage precision

表3 电流精度测试Table 3 Test of current precision

对表2，3中数据进行分析可知：电源在全测量精度范围之内都达到了±1%的要求.

通过外接电子负载的方式验证电源恒流特性，当电源处于稳定工作状态时，突然改变电子负载电阻值大小，电源能很快适应电阻的变化，稳定住电压/电流.

2.2 电源过冲测试

如图4所示，在以电源设置电压1%步进升压方式下，电源启动时将不会产生过冲，而步进时间间隔为微秒级别，不会导致电源升压时间过长，影响电源正常使用.通过示波器连接电源输出端，观察电源在开通过程中的过冲测试，电源开通无过冲.

图4 电源开通升压无过冲Fig.4 Turn on the power without overshoot

如图5所示，通过断开试验电源外部供电，以模拟稳压/恒流电源在工作模式下突然关机，用示波器观察电源输出电压，电源输出电压无过冲.

图5 电源关断时输出无过冲Fig.5 Power off without overshoot

对图4，5电源开机、关断状态下的输出电压捕捉分析可知：经多次观察，电源在开机、关断情况下都无过冲，满足熔断器可靠性试验对电源无过冲的要求.

3 结论

早期程控开关电源开路设定控制输出电压，线性范围比较窄；皇金峰的工作仅仅在一定的条件下可以不出现开关机的过冲.而由于熔断器规格众多，相应的开关电源规格也很多，20 V，30 A的电源仅仅是其中的一个规格，每个规格都有自己的全动态范围.因此使用环境复杂，研制的基于全桥DC/DC变换器，以STM32F103RCT6与SG3525为主控芯片的双闭环控制电源设备，可以恒定电流也可以恒定电压，负载变化时电源自动调整速度快，利用AD7902芯片解决全动态范围的设定值与达到输出值±1%的误差要求.软件与硬件结合，解决开关机的过冲问题，STM32F103RCT6检测交流电源，利用中断防止意外断电过冲，并在开机时由用户选择试验进程.折中选择电流采样电阻，即大电流的功耗与热稳定以及小电流的精度，实现电源在满刻度5%以上的全量程范围内设定值与输出值达到±1%要求.由PC机人机交互界面完成远程设定参数与过程监控功能，可实现实时监控并提供电源工作记录，大大节约人力成本，系统已通过485总线实现40 台电源控制监控.产品经工业与信息化部第五研究所检验合格，现已由贵阳某大型国企投入使用.

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