浅析某船中频静止电源故障与解决方案

杨书林 胡宇桐 马奔

摘    要：中频静止电源装置作为动力系统及通讯导航等系统供电的电源，肩负着海上安全航行的重要任务。中频电源的发展，经历了从早期简易的中频发电机组到后来的可控硅式变频电源的过程，成为目前新一代变频电源装置，广泛应用于航空及军用电子电气设备。随着中频电源设备的不断升级换代，对中频电源设备的安装及调试要求也越来越高，由此引发的故障现象也日益频繁。本文着重对中频静止电源装置的典型故障进行分析并给出解决方案，为后续解决相关设备故障问题提供参考。

关键词：中频静止电源；IGBT；驱动板；变压器

中图分类号：U665.1                                  文献标识码：A

Analysis of MF Static Power Supply Fault and Solution

YANG Shulin， HU Yutong， MA Ben

（ Hudong Zhonghua Shipbuilding（Group）Co.， Ltd.， Shanghai 200129 ）

Abstract： As the power supply of power system， medium frequency static power supply device shoulders the important task of safe navigation at sea. The development of medium frequency power supply has experienced a process from the early simple medium frequency generator set to the later silicon-controlled type frequency conversion power supply. Now， through the efforts of researchers， it has become a new generation of variable frequency power supply device， which has been widely used in aviation and military electronic and electrical equipment. However， with the continuous upgrading of medium frequency power supply equipment， the installation and debugging requirements of medium frequency power supply equipment are becoming higher and higher， and the resulting fault phenomenon is also frequent. This paper focuses on the analysis of the typical faults of medium frequency static power supply devices，  proposes solutions， and provides some reference for the subsequent solution of related equipment fault problems.

Key words： Medium Frequency Static Power Supply; IGBT; Drive Board; Transformer

1     前言

本文阐述的中频电源是一种静止变频装置，作用是将三相工频电源变换成单相电源，其特点是对各种负载适应力强、适用范围广。其工作原理是采用三相桥式全控整流电路，将交流电整流为直流电，经电抗器平波后成为直流电源，再经单相逆变桥把直流电流逆变成一定频率的单相中频电流。

2      某船故障情况

（1）某船中频静止电源正常启动且空载运行正常，在运行3分钟后，发现该中频静止电源上级380 V断路器跳闸，然后将二次电源断路器、面板分闸旋钮分闸后，重新合上上级380 V断路器，再合闸二次电源断路器，设备出现以下两个故障：高频整流硬件一级过流；C相报IGBT故障。

通过检查，发现C相12号IGBT驱动板电源线及光纤未连接，查看发现C相12号IGBT已烧坏，且对应复合母排也有烧黑。

（2）准备负载测试时，8#中频电源上电后出现C相IGBT故障，表现为驱动板返回光纤不发光。

（3）启机空载运行，确认输出空载正常，面板温度显示温度正常；8点30分带载（逐级加载至60 kVA，功率因数0.8工况），加载途中无异常；运行60 kVA、功率因数0.8工况将近20 min，闻到有类似油漆气味，一缕白烟从柜子排风口飘出，此时面板无任何报警，查看温度显示界面， A相和B相变压器温度50 ℃、C相变压器70 ℃、散热器50 ℃、柜内空气温度将近40 ℃；停机断电打开柜门查看，发现C相变压器冒烟，用手触摸连接变压器的软铜排和变压器对比，变压器左侧烫手。

3    故障原因分析

3.1   IGBT故障原因分析

针对上述情况，本次故障可确认为IGBT损坏引起的故障。根据控制器的工作原理，造成IGBT损坏的原因可归结为：短路损坏；驱動回路故障导致上下管直通，IGBT损坏；过热损坏；IGBT个体失效。

（1）短路损坏

结合此前上级380 V断路器跳闸现象，用500 V兆欧表测输入、输出电缆绝缘，输入对地绝缘100 MΩ左右，输出对地绝缘9.8 MΩ左右，未发现异常。

还有一种可能是柜体未清理干净，内部存在导电杂质，在风机的吹动下导致直流正负极之间短路。由于经常性地对柜体进行卫生清理，且在问题发生后对柜体内部进行检查未发现有任何杂质，故此种原因可以排除。

（2）驱动回路导致IGBT损坏

驱动回路导致IGBT损坏，主要有以下几种情况：

① 驱动回路存在隐患，硬件保护在运行过程中的某种工况下会产生误保护，使IGBT驱动脉冲丢失和形成窄脉冲，导致IGBT损坏烧毁。该驱动板是比较成熟的产品，经过我们对产品的长期验证，该种原因基本可以排除；

② 驱动电源线松动，导致驱动电阻增大，开通電压15V偏低，可能会导致IGBT无法完全导通，增加IGBT功率损耗，导致IGBT损坏。之前，在测绝缘过程中，发现C相12号IGBT驱动板电源线及光纤未连接，因此IGBT驱动板电源线存在松动可能性。但理论上该驱动板电源端子带锁扣装置，不存在松动可能，因此该项原因也基本可以排除。

（3）过热损坏

当运行中的IGBT模块结温超过了晶片的最大温度承受上限，会造成模块因为过热而损坏。当前船舶普遍使用的最高结温为150 ℃的IGBT 器件，因此在 IGBT 模块应用中其结温应限制在150 ℃以下。由于发生故障时为空载工况，过热损坏基本可以排除。

（4）IGBT个体失效

IGBT作为半导体器件，本身在静电、湿热环境等影响下存在失效可能，从而引起IGBT损毁。

根据上述排查结果，上述（1）（2）（3）原因不会导致此次故障产生。同时，本次故障型号IGBT共计在中频静止电源中使用450个，均严格通过了厂内功率单元测试、出厂试验、系泊试验等，使用性能已趋于稳定，故本次中频电源故障确定为（4）IGBT个体失效。

3.2   驱动板故障原因分析

2SP0320V2A0-12是由CONCEPT开发的即插即用驱动器，其内部由高度集成的SCALE-2芯片构成。

造成驱动板故障的原因，主要有以下几种情况：

驱动板供电电压低；

驱动板供电电压高；

光耦失效；

静电放电损坏；

Vce检测电路故障。

（1）驱动板供电电压低

当驱动板的供电电压降低时，给IGBT供给的驱动电压VGE也会随之一起降低。通常，IGBT栅极驱动电压 VGE必须达到至少15 V才能使IGBT进入深度饱和状态：如果VGE低于13 V，IGBT则会进入浅饱和状态；在大电流状态下，CE之间过高的导通压降会快速提升IGBT芯片温度；当栅极电压低于10 V，IGBT将工作于线性区域从而导致芯片过热，严重时会导致芯片烧毁。

驱动板供电如处于长期欠压的情况，导致驱动板电源芯片输出电流增大，长期过负荷损坏电源芯片，最终驱动板故障反馈光纤头报故障。

（2）驱动板供电电压高

当驱动板供电的+15 V电源过高时，导致原边推挽的MOSFET芯片失效，进而引起原边LDI芯片失效，导致驱动板副边电源欠压，驱动板出现故障，故障反馈光纤头熄灭。

驱动板2SP0320V2A0-12的供电电压最高不能超过16 V，且VDC和VCC需要并联在一起。

如驱动板供电的+15 V电源有过压现象，导致原边推挽的MOSFET芯片失效，进而引起原边LDI芯片失效，导致驱动板副边电源欠压，驱动板出现故障，故障反馈光纤头熄灭。

（3）光耦失效

在驱动板中光纤耦合器对光电隔离信号起传递作用。当光耦出现故障时，驱动板无法传递驱动信号，也无法反馈自身状态信号，最终驱动板故障反馈光纤头报故障。

（4）静电放电损坏

元件受到静电的放电破坏，会导致元件受损无法工作甚至于完全损坏。静电放电电场或电流产生的热量，会超出元件的温度承受范围，使元件受到内在损伤，最终驱动板故障反馈光纤头报故障。

（5） Vce检测电路故障

2SP0320V2A0-12中配置的基本Vce检测电路，IGBT集电极-发射极电压通过电阻网络测得。在导通状态下经过响应时间后再检测Vce，以判断短路状况。如果此电压高于预设的阈值Vth（9 V），驱动器将判断为IGBT短路，并立即将故障信号发送到相应的光纤状态反馈端，在经过附加延迟时间后，关断相应的IGBT。

在之前排查C相变压器故障时，发现C相集电极电压波形存在异常，出现一个让驱动板误以为IGBT导通的电压波形，IGBT导通特性如图1所示。该电压由于高于驱动板预设的阈值Vth（9 V），可能会引起驱动板报Vce检测故障。同时，由于该电压将近200 V，可能损坏驱动板IGD芯片，最终驱动板故障反馈光纤头报故障。

对驱动板进行了如下检测：

外观检查：外观正常，无明显损坏痕迹；

电性能测试：通控制电；电源芯片正常；光耦正常；MOSFET芯片供电正常；原边LDI芯片电源正常；IGD芯片输出低电平，呈现故障状态，且无法自动复位，因此可以判定IGD芯片出现故障。

3.3   变压器故障原因分析

将8#中频故障变压器移出柜体，发现C相变压器右侧原边绕组绝缘纸呈烧熔迹象，包括最外层绝缘纸及层间的绝缘纸。

用万用表电阻档测量烧毁变压器原边绕组的电阻，两绕组的直流电阻均为0.1 Ω左右，表明烧毁相绕组并未熔断；使用数字电桥，再次测量损坏变压器的电感，与正常变压器对比（见表1），损坏变压器的电感值已出现明显的下降，表明初级绕组存在层间接触现象，导致电感量减小；用绝缘表测量烧毁绕组对铁芯绝缘电阻，阻值为10 MΩ以上，表明该烧毁相绕组对铁芯的整体绝缘良好，但层间绝缘已经被破坏。

经分析，造成变压器烧毁的原因主要有以下几种情况：

受环境影响（如潮湿、污物等因素），造成绕组绝缘降低；

金属异物掉落搭接到导电部位，引起对地放电打火；

变压器散热条件差，热量积聚超过层间绝缘承受极限引起绝缘失效；

环境存在热源，对临近变压器产生辐射效应，导致变压器绝缘纸烧熔变形；

变压器两初级绕组电流不均衡，电流大的发热严重，造成绝缘纸烧熔。

针对上述可能产生故障的原因，进行如下排查：

（1）檢查中频柜体各相功率单元至变压器线路的绝缘情况，该线路电缆绝缘状况良好；

（2）检查中频柜体变压器副边绕组连接的电缆至后级滤波器的电缆绝缘情况，该线路电缆绝缘状况良好；

（3）检查受损变压器附件的散热风机，通控制电后其正常运行，表明变压器损坏时通风条件良好；

（4）变压器烧熔绕组靠近后门板，后门板上无任何电子元件，不存在热辐射效应导致变压器绝缘纸烧熔；

（5）测量各相变压器初级两绕组间电流均衡度，如表2所示。

表2  变压器初级绕组电流

由检测结果发现，C相变压器两初级绕组电流相差较大，且C相变压器烧熔的线包也就是电流较大的一相，C相初级绕组额定电流为68 A，111 A的线包电流已达额定的1.6倍，运行时间过长可能导致元件过热损坏，因此可以判定是由于变压器绕组间电流不均衡导致的变压器绕组烧熔。

检测C相两H桥的输出电压，发现C相第2组H桥左桥臂下管对负母线输出波形存在异常，负电平不稳定；检查线路光纤，发现光纤头松动，光纤端子已经卡在驱动板光纤端口内。至此可以推断，由于光纤与驱动板的接触不良，导致绕组开关不正常，进而引起两H桥输出电压不一致，电压大的输出电流大，电压小的输出电流小，造成电流不均衡。因此，本次故障定位为光纤接头断裂导致。

经上述分析可知，IGBT因个体失效产生炸裂现象导致光纤存在断裂的质量隐患，引起主回路波形异常，从而导致驱动板及变压器故障。

4    故障复现及解决措施

在更换损坏变压器后，再次上电进行空载试验，C相变压器3-4绕组的温度短时间内升至70 ℃，而相邻1～2绕组的温度在30 ℃左右，表明只要光纤的接触不良状态存在，就会产生电流不均衡现象，造成绕组发热不均，若继续进行下去，C相新换上去的变压器也必然产生绕组烧熔的现象，客观上说故障的趋势已经复现。

根据以上分析，对发生故障的中频静止电源采取以下整改措施：

（1）更换损坏的IGBT、驱动板、光纤线及变压器；

（2）更换后，按照流程进行外观检查、螺栓拧紧力矩检验、校线、绝缘电阻检测、静态测试等工作；测试合格后，重新上控制电，设备正常，未出现报警现象，同时放电正常、空载启动正常，输出电压115 V，三相相位差在120°，装置功能正常；中频电源带载启动，C相两初级绕组电流相当，分别为41 A、38 A，偏差不大，且两初级绕组线包温度相当未出现大的偏差。

5    小结

中频静止电源装置是整个船舶系统供电中非常重要的部分，随着中频电源设备的不断升级换代，对中频电源设备的安装及调试要求也越来越高，由此引发的故障现象也日益频繁。本文通过对中频静止电源装置的典型故障进行分析并给出解决方案，希望能为后续解决相关设备故障问题提供一定的参考。

参考文献

[1]刘春喜.大容量400 Hz中频逆变器拓扑及数字技术研究[D].杭州：浙江大学，2010.

作者简介：杨书林（1988-），男，工程师。主要从事船舶质量检验工作。

胡宇桐（1994-），男，助理工程师。主要从事船舶质量检验工作。

收稿日期：2023-01-17