核电厂气泵控制器可靠性优化方案

2021-01-05朱桂霞李迪亮周田蜜钱玉刚

设备管理与维修 2020年19期

关键词：气泵三极管导通

蓝剑，朱桂霞，李迪亮，周田蜜，钱玉刚

（中核武汉核电运行技术股份有限公司，湖北武汉 430070）

0 引言

在电子电路产品中，电子元器件本身的可靠性往往与产品的可靠性息息相关；尤其是对于电路中的高风险电子器件需要高度关注。通常要根据实际工况对设计方案进行优化以降低风险。

1 气泵控制器应用背景

气泵控制器广泛应用于核电厂中的氚碳取样器中，其目的是驱动氚碳取样器中的气泵，从而为氚碳取样器提供工作所需要的气流。

常用的气泵通常由频率为50 Hz、有效值为220 V 的市电所驱动。然而，由于市电的频率和幅值无法调节，导致气泵气流量无法调节。因此，如要满足可调节气流量的需求，需要有针对性的设计控制器。由于控制器中存在功率电路，功率器件的工作可靠性即是设计的难点又是关键点，对于控制器的可靠性至关重要。因此，将对应用于气泵控制器中的功率器件可靠性进行深入分析。

2 气泵控制器基本原理

应用于系统中的气泵控制器主功率部分采用推挽电路[1]（图1）。推挽电路输入为直流24 V 电压，取自系统自带电源；推挽电路输出为幅值240 V 的交流方波，方波直接驱动气泵产生气流。

图1 推挽拓扑电路

图2 控制电路方案

气泵控制器的控制电路如图2 所示[2]，输入信号由外部控制器给出。控制电路的功能一方面是控制功率回路正常工作，驱动气泵输出气流；另一方面，控制电路可根据输入信号的要求，控制功率回路输出指定量的气流。

控制电路主要由信号调理电路、PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）生成电路、逻辑控制电路、驱动电路、功率器件等部分组成。信号调理电路主要由运放构成，负责对输入信号进行滤波、放大，以匹配后级电路应用需求；PWM 生成电路主要由PWM 芯片构成，其作用是用来产生PWM 驱动波形；逻辑控制电路主要是用来产生两路互斥的PWM 分别作为推挽拓扑中两个开关管的驱动信号；驱动电路作用是将信号级的PWM信号进行功率放大，以便驱动功率三极管。

输入信号经过信号调理电路处理之后送至PWM 芯片，PWM 芯片根据输入信号幅值的大小控制输出PWM 的占空比，从而控制推挽电路输出交流方波电压的脉宽，最终控制气泵输出的气流量大小。

3 三极管基本工作原理

在气泵控制器电路系统中，功率三极管主要工作在开关状态以实现功率电路的换流功能；同时为了减小三极管本身的发热以提高三极管工作的可靠性，三极管上消耗的功率宜越小越好。

图3 三极管输出特性曲线

图3 为三极管通用输出特性曲线图[3]，其中IB表示三极管基极电流，IC表示三极管集电极电流，uCE表示三极管导通压降，图中曲线描述在不同基极电流IB的作用下，三极管输出特性。

由图3 可知三极管工作状态分为三种：饱和区、截止区、放大区。

当三极管工作在饱和区时，三极管导通压降uCE与集电极电流IC近似于线性关系。此时，三极管导通压降很低，因此三极管导通损耗也较小。

当三极管工作在放大区时，三极管集电极电流IC与基极电流IB成正比，同时由于uCE急剧增大，此时三极管导通损耗极大。

当三极管工作在截止区时，三极管此时处于关断状态，仅有极小的漏电流。

基于上述分析，可以知道用作开关功能的三极管理想工作状态是在截止区和饱和区之间进行切换工作。当三极管关断时，宜工作在截止区；当三极管导通时，宜工作在饱和区。

4 气泵控制器设计隐患

在对气泵控制器测试过程中，发现气泵控制器输出电压在带载工况下出现了畸变。图4 为气泵控制器空载时输出电压，图5 为气泵控制器带载时输出电压。可以明显看到带载时，输出电压出现塌陷。

图4 控制器空载输出电压

图5 控制器带载输出电压

由于气泵控制器输出电压通过变压器副边输出，且副边输出电压与原边输入电压成比例[4]。因此，进一步对变压器原边波形进行测试，测试对比原边三极管集射极电压uCE与输出电压，如图6 所示。

图6 三极管集射极电压与输出电压

从图6 中可以很明显看到在输出电压塌陷的同时，三极管集射极电压uCE出现抬升。因为三极管集射极电压与变压器输出电压成反比，因此可以初步断定气泵控制器输出电压垮塌的原因是三极管集射极电压升高对变压器输出电压产生了分压，从而造成输出电压垮塌。

根据第3 节分析，三极管的工作区间有三种：截止区、饱和区、放大区。当三极管导通，三极管工作在放大区时集射极电压上升明显。因此可以判断三极管在导通时进入到了放大区，导致三极管导通压降uCE上升明显。

三极管作为功率开关器件，其功耗是需要重点关注的风险点，功耗越大三极管温升越高，并最终影响三极管寿命。

当三极管导通压降升高时，造成的最直接影响就是三极管导通损耗显著增加。因此，对于功率三极管，通常希望它在导通时工作在饱和区域，以便降低导通损耗。

5 气泵控制器改进方案及效果

根据上文，气泵控制器在带载情况下，三极管导通时的工作状态由饱和区进入到放大区，而空载时无此情况。结合第3 节分析三级管工作的原理可以判断，三极管进入放大区的原因是因为在带载情况下，负载电流变大导致三极管集电极电流IC增大，从而使三极管工作状态越过饱和区进入放大区。因此，可以通过提高三极管基极电流IB来提升三极管由饱和区过渡到放大区的集电极电流IC的阈值。

图7 三极管驱动电路

图8 三极管Q1 导通波形对比

图9 三极管Q2 导通波形对比

图7 为气泵控制器三极管驱动电路，其中Q1采用三极管驱动，Q2为驱动芯片直驱。原设计中三极管栅极驱动电阻均为820 Ω，驱动电压为5 V。

为减小栅极电流IB，现将驱动电阻减小至500 Ω。对三极管带载导通压降进行测试，并与原设计导通压降进行对比，测试波形如图8 和图9 所示，从图中可以很明显看到三极管导通电压出现下降。

对图8 和图9 中幅值进行测试，记录数据如表1 所示。根据表1 的测量数据，可以看到当减小栅极电阻时，三极管导通压降uCE下降显著。

表1 三极管导通电压幅值对比

根据测量数据的下降趋势，进一步对驱动电阻进行减小以增大基极电流IB来获取更低的导通压降。但是经过测试，发现三极管电压导通幅值下降不明显。通过分析，可以判断由于驱动芯片的驱动能力有限，无法进一步增大IB，因此，进一步的优化方案需要对驱动电路原理图进行修改。结合深入优化三极管驱动电路所需要耗费的时间成本、经济成等，本次可靠性改进仅对驱动电阻进行改进，暂不对电路原理进行改进。