低溫環(huán)境下在線監(jiān)測(cè)裝置電源可靠性研究

孫大為

(國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司，哈爾濱150090)

低溫環(huán)境下在線監(jiān)測(cè)裝置電源可靠性研究

孫大為

(國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司，哈爾濱150090)

針對(duì)低溫環(huán)境下在線監(jiān)測(cè)裝置電源能否可靠運(yùn)行的問題，闡述了開關(guān)電源的基本工作原理和主電路結(jié)構(gòu)，解析了推挽電路結(jié)構(gòu)中各電氣量的波形和方程式，分析了低溫環(huán)境下影響在線監(jiān)測(cè)裝置電源運(yùn)行的主要因素，指出了在線監(jiān)測(cè)裝置電源設(shè)計(jì)中容易失效的關(guān)鍵部位，通過試驗(yàn)樣品測(cè)試檢驗(yàn)開關(guān)電源的設(shè)計(jì)質(zhì)量，并在黑龍江省兩個(gè)低溫地區(qū)進(jìn)行了實(shí)施，驗(yàn)證了開關(guān)電源設(shè)計(jì)的可靠性。

在線監(jiān)測(cè)；電源；可靠性；低溫環(huán)境

近年來，隨著信息技術(shù)的發(fā)展以及傳感器技術(shù)的日益成熟，在智能化理論方面如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家自適應(yīng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，形成了智慧化、智能化的輸、變電設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)?，F(xiàn)有先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，可預(yù)見輸電、變電設(shè)備的狀態(tài)檢修必將進(jìn)入智能化的新時(shí)代。而輸變電在線監(jiān)測(cè)的電源是整個(gè)系統(tǒng)得以可靠運(yùn)行的關(guān)鍵考慮因素，尤其的黑龍江地區(qū)冬季的低溫環(huán)境下，需要特別考慮[1]。 目前電源的選擇，多數(shù)采用開關(guān)電源。開關(guān)電源是利用電力電子技術(shù)，通過高頻脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào)來控制開關(guān)管，控制電路的高速開通與關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)電能的按需變換，即把電源變換成為所需要的一組或多組電壓。這種開關(guān)電源具有高的轉(zhuǎn)換效率、大的功率密度的特點(diǎn)，而且其穩(wěn)定性較好、體積較小，能夠適應(yīng)低溫工作，已經(jīng)基本上取代了傳統(tǒng)的線性電源，成為現(xiàn)在主流使用的電源[2]。開關(guān)電源的可靠性直接影響到設(shè)備正常連續(xù)工作的穩(wěn)定性，對(duì)監(jiān)測(cè)裝置電源的可靠性提出更加嚴(yán)格的要求[3-6]。本文主要是以軍工級(jí)電源作為研究對(duì)象，闡述了開關(guān)電源設(shè)計(jì)的基本工作原理和主電路結(jié)構(gòu)，分析了影響在線監(jiān)測(cè)裝置電源可靠性的關(guān)鍵部位，在低溫環(huán)境下用試驗(yàn)方法檢驗(yàn)開關(guān)電源的可靠性，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施驗(yàn)證了電源設(shè)計(jì)的可靠性。

1 電源設(shè)計(jì)工作原理

開關(guān)電源一般主要由輸入電源的濾波電路、功率轉(zhuǎn)換模塊、轉(zhuǎn)換(隔離)變壓器、整流濾波電路、采樣比較電路、光電耦合隔離模塊、脈寬調(diào)制器電路和外圍相關(guān)的輔助電路組成。電源模塊構(gòu)成設(shè)計(jì)原理框圖如圖1所示。

圖1 電源模塊構(gòu)成設(shè)計(jì)原理框圖

開關(guān)電源基本工作原理：由電網(wǎng)的輸入電壓VIN經(jīng)過輸入濾波環(huán)節(jié)，過濾掉電路中的一些干擾信息，經(jīng)過過濾的電源再經(jīng)過功率轉(zhuǎn)換模塊變換為含有交流分量的方波電壓，方波電壓再通過變壓器的轉(zhuǎn)換，得到另一個(gè)電壓等級(jí)的方波電壓，由變壓器輸出的電壓再經(jīng)過整流濾波模塊變換為工作設(shè)備所需要的電壓。在這個(gè)過程中，變壓器起到了電壓變換與隔離的雙重作用，脈寬調(diào)制電路主要是用來調(diào)制電路中開關(guān)管的開通和關(guān)斷的構(gòu)成比例，從而達(dá)到調(diào)整電壓大小的目的，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的變換。功率轉(zhuǎn)換電路、整流濾波電路以及變壓器構(gòu)成開關(guān)電源的主電路，分析電源的可靠性主要還是對(duì)其主電路進(jìn)行研究與分析。

2 主電路電源波形分析

電源主電路結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫问接泻芏喾N，包括Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、BUCK拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、推挽變壓器結(jié)構(gòu)、正激變壓換器結(jié)構(gòu)、半橋轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及全橋變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中推挽變換器結(jié)構(gòu)是應(yīng)用范圍最廣的一種拓?fù)漕愋蚚7]。本文分析的電源就是采用了推挽變換器結(jié)構(gòu)，電源的主電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。在圖2中，Q1和Q2均為VDMOS管，D1和D2均為整流二極管，Cin為輸入電容，C1和C2為輸出電容。

圖2 電源主電路結(jié)構(gòu)示意圖

由于電源模塊中的PWM控制電路為開關(guān)管Q1和Q2柵極提供兩個(gè)幅值相等、脈寬可調(diào)、相位差180°的脈沖電壓Vg1和Vg2，作為其柵極驅(qū)動(dòng)電壓，因此需要柵極驅(qū)動(dòng)電壓Vg1和Vg2要有一定的數(shù)值，以確保VDMOS開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)的漏源極電壓不會(huì)太大。在理想情況下，一般認(rèn)為VDMOS開關(guān)管導(dǎo)通壓降為0V。在主路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，當(dāng)任意一個(gè)開關(guān)管經(jīng)觸發(fā)導(dǎo)通后，就會(huì)為對(duì)應(yīng)的初級(jí)半繞組提供幅值為Vdc的方波電壓。理想條件下次級(jí)半繞組的電壓為幅值為Vdc的方波電壓。

從圖3中可以看出，在t2時(shí)刻過渡到t3時(shí)刻的過程中，兩個(gè)開關(guān)管均處于關(guān)閉狀態(tài)，此段時(shí)間區(qū)間稱之為死區(qū)。在t2時(shí)刻，開關(guān)管Q1關(guān)閉，開關(guān)管Q2也處于關(guān)閉狀態(tài)，電感L1的前端電壓為負(fù)。當(dāng)該電壓低于零電位約一個(gè)二極管的管壓降時(shí)，兩個(gè)整流二極管將同時(shí)導(dǎo)通，這時(shí)每一整流管導(dǎo)通的電流約為開關(guān)管關(guān)斷前電感內(nèi)流過的總電流1/2，如圖3中的(C)和(f)波形圖。此時(shí)，整流二極管D1、D2起到續(xù)流的作用。由于次級(jí)半繞組的阻抗值相對(duì)很小，故在其上的壓降也很小，可以不考慮。整流二級(jí)管的陰極電壓被嵌位在0.7V左右，如圖3中的(g)和(h)波形圖。由于在這兩個(gè)次級(jí)半繞組上，其壓降均為0，根據(jù)同名端的定義，初級(jí)半繞組上的壓降也為0，故在死區(qū)期間兩個(gè)關(guān)斷晶體管的漏源極間電壓為Vdc，如圖3中的(C)和(d)波形圖。

圖3 推挽電路結(jié)構(gòu)中各電氣量的波形

由圖3中還可以看出，從t3時(shí)刻過渡到t4時(shí)刻，開關(guān)管Q2處于導(dǎo)通狀態(tài)，其工作過程及電壓分布情況與t1到t2時(shí)刻區(qū)間類似；在t4時(shí)刻到t5時(shí)刻的區(qū)間內(nèi)，兩個(gè)開關(guān)管均處于關(guān)閉狀態(tài)，工作過程及電壓分布情況與t2時(shí)刻到t3時(shí)刻區(qū)間內(nèi)的情況類似。

考慮到輸出電路中整流二極管的正向壓降VF的影響，整流二極管陰極的輸出將會(huì)是一個(gè)平頂方波，該方波的導(dǎo)通時(shí)間為Ton、幅值大小為Vdc-Vp。其中VF是整流二極管的正向?qū)▔航担话慵s為0.7V。在導(dǎo)通過程中，每半個(gè)周期(T/2)都將會(huì)存在一個(gè)占空比為Ton的脈沖，故整流二極管陰極輸出脈沖的占空比為Ton/T的2倍。在通過后極的整流濾波環(huán)節(jié)后，得到直流電壓的大小為整流二極管陰極輸出電壓平均值，該電路輸出的直流電壓Vo為

3 低溫環(huán)境下電源關(guān)鍵部位分析

從圖2和圖3中分析可以看出，開關(guān)管和肖特基二極管的負(fù)載性質(zhì)均為感性，處于不斷地開或關(guān)工作狀態(tài)，在開關(guān)導(dǎo)通過程中產(chǎn)生的瞬間電流、電壓變化都很大，極易導(dǎo)致器件損壞或損傷；在實(shí)際設(shè)備工作的情況下，電源模塊內(nèi)部存在復(fù)雜的電磁干擾，開關(guān)管、整流管在導(dǎo)通和關(guān)斷的瞬間還存在電壓電流沖擊。例如，開關(guān)管VDMOS關(guān)斷的瞬間，流過開關(guān)管的電流將快速下降，從而產(chǎn)生以變壓器漏感底端為正，幅值大小為L(zhǎng)1di/dt的尖峰電壓，該電壓將疊加到被關(guān)斷的開關(guān)管的電壓上，該過程極易損壞開關(guān)管，尤其是當(dāng)變壓器漏感較大時(shí)，其破壞性將更大。肖特基二極管工作過程中存在同樣的問題。功率開關(guān)元件以及肖特基二極管，在開通和關(guān)斷的動(dòng)作瞬間會(huì)有電壓電流間的重疊，產(chǎn)生交流開關(guān)損耗，開關(guān)損耗很容易造成開關(guān)管失效。另外，從肖特基二極管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也可以分析出，在肖特基二極管金-半接觸面上，開關(guān)管VDMOS 中的G-S與G-D間的電流熱擊穿和各種焊接材料間的互相擴(kuò)散，會(huì)導(dǎo)致功率模塊器件的電熱遷徙。因此，開關(guān)管VDMOS以及整流結(jié)構(gòu)部分的肖特基二極管是開關(guān)電源電源模塊的薄弱環(huán)節(jié)，操作不當(dāng)易導(dǎo)致整個(gè)模塊的損傷或者失效。

4 低溫環(huán)境下電源的可靠性試驗(yàn)

為了分析電源的可靠性，電源結(jié)構(gòu)模塊中的關(guān)鍵器件VDMOS可靠性試驗(yàn)的電應(yīng)力偏置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 電應(yīng)力偏置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

從圖4可以看出，在偏置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，VDMOS樣品被固定于石棉板上，保證樣品間互相絕緣。試驗(yàn)時(shí)，將石棉板與樣品一起放入高低溫試驗(yàn)箱中，與樣品相連的連接導(dǎo)線選用電流容量大于1A高溫導(dǎo)線。在圖4中，偏置系統(tǒng)中需要設(shè)置兩個(gè)電源，其中一個(gè)電源為樣品提供漏源電壓Vds，另一個(gè)電源為樣品提供柵源電壓Vgs。其中為樣品提供柵源電壓的Vgs值可以用電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)，以確保在試驗(yàn)過程中樣品的漏源電流Ids保持為恒定電流，試驗(yàn)系統(tǒng)中可使用一個(gè)阻值為5Ω電阻作為樣品的限流電阻。

試驗(yàn)的樣品導(dǎo)通電阻Ron的退化量均在15%以內(nèi)，其它參數(shù)如亞閥值電流Id，擊穿電壓BVds基本維持不變。

在試驗(yàn)過程中，樣品跨導(dǎo)gm的計(jì)算可以根據(jù)計(jì)算公式gm=IDS/VGS,由50mV的Vgs變化對(duì)應(yīng)的Ids變化計(jì)算得到。

在試驗(yàn)的樣品測(cè)試過程中，選用一些退化量首先達(dá)到gm≥20%gmo作為失效判據(jù)，根據(jù)圖4可靠性試驗(yàn)的CETRM模型，用gm的退化來計(jì)算樣品的失效激活能力和正常工作條件下的壽命。CETRM理論模型可表示為

(1)

式中：M為樣品的失效敏感參數(shù)；t為試驗(yàn)時(shí)間；dM/dt為敏感參數(shù)的退化速率；Q為樣品的激活能；n、m分別為電流密度冪指數(shù)因子和電壓冪指數(shù)因子；A為常數(shù)；K為波爾茲曼常數(shù)；T為試驗(yàn)溫度。模型中的激活能Q表示為

(2)

式中，T1、T2、T3、T4為4個(gè)不同的試驗(yàn)溫度。

在式(2)中，只有一個(gè)Q為未知量，由此即可計(jì)算出失效樣品激活能Q值，然后通過式(3)即可外推導(dǎo)出樣品壽命：

(3)

式中：t為外推工作壽命；T0為外推壽命的溫度；Q為失效樣品激活能；β為試驗(yàn)的溫升速率。

5 低溫環(huán)境下現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施驗(yàn)證

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的電源是否符合低溫環(huán)境運(yùn)行，本文將設(shè)計(jì)好的電源在慶北變220kV主變、齊齊哈爾拉哈變110kV主變?cè)诰€監(jiān)測(cè)設(shè)備上安裝使用，自2015年8月安裝完成后，裝置在慶北變220kV主變經(jīng)歷了-30℃、齊齊哈爾拉哈變110kV主變經(jīng)歷了-33℃的考驗(yàn)，運(yùn)行狀況良好，驗(yàn)證了電源設(shè)計(jì)的可靠性。

6 結(jié) 語

本文以輸變電在線監(jiān)測(cè)的軍工級(jí)電源作為研究對(duì)象，闡述了開關(guān)電源的基本工作原理和主電路結(jié)構(gòu)，解析了推挽電路結(jié)構(gòu)中各電氣量的波形和方程式，分析了影響在線監(jiān)測(cè)裝置電源可靠性的主要因素，指出了最容易造成電源損壞的元件為開關(guān)管VDMOS以及整流肖特基二極管。對(duì)低溫環(huán)境下開關(guān)電源進(jìn)行了試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施驗(yàn)證，證明了所設(shè)計(jì)的電源在低溫環(huán)境下能夠連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

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(編輯 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。

孫大為(1963—)，男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娋W(wǎng)運(yùn)維檢修管理。

TP202+.1

A

2095-6843(2017)02-0106-04