一种基于自发电供电的系统二次电源故障分析

2021-07-02魏永峰

通信电源技术 2021年5期

魏永峰

（中国电子科技集团公司第二十九研究所，四川成都 610036）

0 引言

电子对抗装备任务系统电源由前级的外接电源供配电和任务设备的二次电源组成，由于任务系统的复杂多样，使得电源系统构成存在多样性，电源系统适配性设计也较为复杂。一个完整的电源系统从发电端机组选型到配电端保护设置，再到用电端的多级变换，涉及系统适配性环节较多，任务系统的供电需要系统性考虑。目前，电源技术方面文献很多，但从系统角度阐述电源适配性设计方面文章较少。本文以某侦察干扰车试验过程中二次电源故障为例，从电源系统组成到工作原理分析二次电源故障原因，通过分析说明电源系统适配性设计的重要性。

1 组成及工作原理

侦察干扰车系统是由车载底盘自发电系统或外接市电提供单相交流220 V/50 Hz供电电源，经智能配电箱保护控制实现电源多路分配和状态监测。终端设备通过内置不控整流+DC/DC模块或PFC模块+DC/DC模块实现功能模块供电，其中宽带侦干一体机及窄带数字接收机内采用PFC模块+DC/DC模块两级变换实现终端设备供电，而其他采用不可控整流+DC/DC实现终端供电。供电框图如图1所示。

图1 某侦察干扰车供电框图

1.1 行车自发电供电系统原理

行车自发电供电系统由车载底盘发动机通过皮带驱动三相交流发电机发电，其输出的交流电经过IGBT三相桥电路的可控整流和直流滤波电路后输出直流电，再经过逆变输出230 V/50 Hz交流电。供电系统原理框图见图2。

图2 行车自发电供电系统原理

1.2 PFC模块工作原理

PFC模块内部采用两级拓扑结构，前级为BOOST升压PFC电路，将交流220 V转换为直流410 V稳压，后级为BUCK降压电路，将直流410 V电压降为直流270 V输出。

1.3 DC/DC模块工作原理

12 V DC/DC模块采用新雷能公司生产的DEN750-280S12FB-PS型DC/DC变换器，其主功率变换采用两级变换拓扑，前级采用BUCK电路将输入直流270 V高压降至直流150 V左右，后级采用固定50%占空比的全桥变换电路将直流150 V隔离变换输出直流12 V。

3.3 V DC/DC模块通过VICOR公司的V300C5H100BL型DC/DC变换器调压获得，该模块内部电路采用单端正激电路拓扑，副边输出采用二极管整流方式。该拓扑的特点是原边为单MOSFET变换，副边为无驱动信号的不控二极管整流。

2 故障及其机理分析

2.1 故障现象

系统设备上电自检时发现窄带数字化接收机与宽带侦干一体机出现自检报故现象。经初步隔离排查确认故障设备内置的两个并联的12 V DC/DC模块无输出。

2.2 故障树及排查

基于12V DC/DC模块故障点建立故障树如图3所示，其中顶层故障分为DC/DC模块的输入阻抗异常和输出阻抗异常。通过测量排查排除输入阻抗异常可能，进一步排查输出阻抗建立故障树，按照功能电路的器件划分，造成输出阻抗异常的故障分为全波整流的MOSFET失效、防反接电路单元以及其前端电容短路3种情况，通过对比测量与逐一排查，确定了全波整流的MOSFET失效，并测得故障整流管D-S呈短路、G-S呈低阻状态。

图3 DC/DC模块故障树

另外，发现市电输入供电时该12 V DC/DC模块未曾发生故障，仅当在自发电系统供电情况下发生故障。对市电和自发电供电系统分别用示波器测量差分电压波形和对地共模电压波形，通过测试发现，不同外接电源差分电压波形正弦度几乎无差异，对地共模电压差异较大，其中市电对地共模电压仍为正弦波形，而自发电供电对地共模电压在过零点处存在约200 V/μs跳变。自发电供电L/N对地电压波形如图4所示，同时监测电源模块，发现在行车自发电供电交流对地电压过零点跳变时刻，MOSFET的开关时序存在同为高电平的异常现象，该异常现象会致使MOSFET共态导通，进而引起MOSFET D-S间短路和G-S呈低阻的失效现象。排除生产过程控制因素考，进而确定全波整流的MOSFET失效与系统电源适配性有关。

图4 自发电供电L/N对地电压波形

2.3 故障机理分析

2.3.1 共模干扰产生机理

自发电供电系统逆变模块采用单相全桥逆变电路，逆变模块拓扑结构如图5所示，PWM控制采用单极性调制控制方式[1,2]。由于开关器件的高频开关动作，使逆变器桥臂中点对参考地产生较高的dV/dt，该跳变电压不断对寄生电容进行充放电，从而形成共模电流[3]。

图5 逆变模块共模干扰模型

2.3.2 DC/DC模块MOSFET失效机理分析

依据DC/DC模块的副边同步整流原理，本次失效的元器件为副边同步整流MOSFET，在输出电路中完成两个绕组的双半波整流。一般地，上下支路的MOSFET处于相互交替导通的状态，当自发电供电系统存在较大共模噪声时，其干扰路径如图6所示。此共模噪声会通过DC/DC内部与机壳相连接的Y电容串入到DC/DC变换器的信号参考地，使DC/DC变换器的信号参考地共模信号被抬高11 V左右。此信号参考地的共模信号引起DC/DC变换器的误差放大器差模信号变化，导致脉宽调制芯片本应该输出低电平的驱动信号变为高电平，造成驱动信号共通。

图6 自发电共模干扰路径

共态导通时，电路将产生过大的短路电流流经同步整流MOSFET的漏-源级；共态导通结束时，MOSFET关断瞬间，变压器漏感与MOSFET结电容谐振会产生高电压尖峰击穿MOSFET，导致MOSFET出现漏-源间短路、栅-源间呈低阻状态。副边同步整流MOSFET一旦短路失效后，DC/DC变换器无法将输入直流电源变换为直流12 V。

3 改进措施及仿真验证

通过以上分析，DC/DC模块故障是由于共模干扰造成，并进一步观测发现，驱动信号是否出现共通的异常现象与交流220 V过零跳变的剧烈程度相关。当交流220 V输出对机壳的跳变幅值约188 V时，DC/DC变换器信号地有轻微共模干扰现象，地信号波动约为3 V，DC/DC变换器驱动波形无共通现象。当交流220 V输出对机壳的跳变幅值约124 V时，DC/DC变换器信号地几乎无干扰（≤1 V），DC/DC变换器驱动波形完全正常。为此，改进措施从两方面着手，一是通过改进电路结构提高DC/DC模块自身抗干扰能力，二是消除或降低共模干扰。针对单相逆变电源逆变器共模干扰抑制有多种措施，主要包括优化滤波电路改善滤波参数和优化控制策略两方面，其中优化控制策略相关文献较多[4,5]。

本文主要通过调整LC滤波电路参数，进而大幅降低共模干扰在过零点跳变。利用PMSM软件对自发电系统的逆变电路建立仿真模型如图7所示，根据逆变器参数设置寄生电容功率器件与外壳之间寄生电容为145 pF，差模滤波电感为500 μH，差模电容为40 μF，共模电感为1.2 mH，两个X电容为2.2 μF，共模电感前级Y电容为10 nF，共模电感后级Y电容为22 nF。仿真结果如图8所示，通过建模仿真分析，仿真波形与现场测量波形基本相似，交流输出滤波参数不充分就会形成共模电压跳变，产生共模干扰的问题。