应急电源整流充电模块故障分析及解决
摘 要：地铁车站应急电源装置可靠性要求非常高，若其中的部件（模块）易出故障且无预见性，将对地铁安全运营形成威胁。整流充电模块是应急电源装置中故障率较高的模块之一。简述该模块的内部原理，在解析其合闸与分闸时的瞬时过程电路的基础上，提出提高该模块使用可靠性的解决方案。
关键词：应急电源；瞬态过电压；浪涌电流；软开关
1 整流充电模块的工作原理
应急电源装置（EPS）整流充电模块（G Z M22010）工作原理见图1。整流充电模块主要由主电路、调整控制电路和辅助电路三部分组成。
(1）主电路由交流整流滤波、直流—直流变换（高频变换）器等元器件组成，其作用是从三相380 V交流电网取得交流电，经EMI交流抗干扰电路，将交流电网中的高频杂波滤除后，先整流成高压直流，再逆变为高频电压并整流为40 kHz（或20 kHz）的脉宽调制脉冲电压波，最后经滤波输出220 V直流电压。
(2）调整控制电路由PWM脉宽调制电路和PFC功率因数控制电路等组成。PWM脉宽调制电路包括输出采样、信号放大、控制调节、基准比较等单元，其作用是对输出电压进行检测和取样，并与基准值进行比较，从而控制高频开关功率管的开关时间比例，达到调节输出电压的目的。PFC功率因数控制电路是通过控制过程，使输入电流波形跟踪正弦基波电流，且相位与输入电压同相，以保持输出电压稳定和功率因数接近于1.0。
(3）辅助电路则包括手动调整 、稳压电源、保护 、 信号 、事故报警RS485/422通信接口等电路。
2 整流充电模块内部保护功能
整流充电模块的保护功能主要有输出过电压、输出限流、模块并联保护、过温保护、过流（含短路）保护、输入过电压保护及软启动电路等。从使用情况来看，由于输入端持续过电压和输出负载的原因造成整流模块故障的案例较少，故只对输入保护、输入与输出配合等方面作进一步的分析。
2.1 输入端瞬态过电压保护
输入端瞬态过电压是指电网上的电感性用电设备的开、关，特别是EPS系统输入电源主开关的合闸、分闸等都会在本系统的输入电源上叠加尖峰电压，这种尖峰电压的幅值不一定能使系统防雷组件动作，但却能对整流模块内电子元器件造成损坏，从而造成整流模块故障，这是电路设计中需重点考虑的。
如图2所示，为防止瞬态过电压对整流模块造成损坏，通常在输入电路并联金属氧化锌压敏电阻Rv，其前面的电路为共模、差模滤波器，当尖峰电压由交流输入口进入该滤波器后会有了一定的衰减，如果衰减后的电压尖峰值仍然大于压
敏电阻击穿电压值，则压敏电阻的阻值急剧下降，把尖峰电压的能量吸收掉，从而使电源输入端得到保护，这是其工作原理，实际上由于压敏电阻的离散性较大，选择其连续工作电压值时一般是要高于整流模块输入电压上限值的20%左右，且要按估算最大吸收能量来选择压敏电阻的允许吸收能量，因此，压敏电阻的正确选择及其质量的好坏对整流模块的正常运行显得十分重要。但在设备的压敏电阻选用中较多地考虑是主回路整流元件的保护，而对辅助电路的保护欠缺。
2.2 输入过电流保护
整流模块的输入电路实际上是一个带滤波电解电容的电压整流滤波器，交流输入端的开关合闸供电的瞬间，由于滤波电容处在零电压初始状态，将导致合闸瞬间产生很大的电容充电浪涌电流，此电流峰值的大小与合闸瞬间交流电压的相位及输入滤波回路的内阻有关，当处于正弦波电压峰值时合闸，将会产生数百安培的浪涌电流。尤其在数台整流模块并联工作时，情况尤其严重，此浪涌电流对设备内的电子元器件破坏较大，因此，每台整流模块必须配置冲击电流限制电路，限制其产生合闸浪涌电流。
图3是整流模块中使用的阻容吸收式启动冲击电流限制电路，电路中电阻Rs是为限制浪涌电流的限流电阻，电阻R是光电耦合器V中发光二极管的限流电阻，K1为Rs的旁路继电器的动合触点，C是整流模块内的大滤波电容，只要适当选择限流电阻Rs的阻值，就可把合闸浪涌电流限制在一定范围内。旁路动合触点K1动作的延时时间是由内部辅助电路参数决定。
这种电路的缺点是控制电路元器件较多，电路复杂，且需要一个只要有输入电压就可正常供电的辅助电源为延时控制电路供电，而该辅助电源的保护是没有主电路保护那样齐全完善的，这就给此整流模块留下一个发生故障的隐患。
2.3 软启动电路（软开关技术）必要性及其动作原理
2.3.1 输出软启动特性及电路实现
软启动主要是指整流模块在启动时，其输出电压随时间的变化应与图4所示的曲线相似，软启动时间T1是指输出电压上升至0.9 UD（额定输出电压）时所用的时间。
输出软启动电路实现在电源启动时，使功率开关管的驱动脉冲宽度从零开始缓慢地展宽到额定输出电压所对应宽度的功能，其主要原理是利用图5中的电容C的充电电压逐渐上升这个特性来实现的，该电容C的特性将影响到软启动时间T1。
2.3.2 设置软启动电路的必要性
由于整流充电模块的下级负载是蓄电池组（大电容）和逆变器内的大电解电容，如果整流充电模块在短时间内将输出电压升到额定值，将会在短时间内形成非常大的电容充电电流，如此大的充电电流无论对整流桥或D C/D C变换器的功率开关管都会造成致命的破坏，这样的过流冲击往往也会使输出过流保护及短路保护动作，影响整流模块的正常启动，因此，高频开关电源都必须具有输出电压软启动功能，多个并联的整流模块还必须有相似的软启动特性曲线。
2.3.3 输出软启动与输入合闸浪涌电流抑制之间的配合
整流充电模块除了在输出端设置软启动电路外，还应在输入端配置合闸浪涌电流抑制电路，这两部分电路对整流充电模块的软启动来说是缺一不可的。在应用上，这两部分软启动电路的工作顺序应是合理的配合，也就是当输入滤波电容充电结束，限流电阻Rs被旁路后，输出的软启动电路才可开始工作，输出电压由零开始逐渐升至额定值，这样才能实现整机的软启动。也只有系统中每个并联的整流充电模块的输入与输出性能接近，才能较平稳地实现整个系统的软启动。
3 整流充电模块常见故障分析
3.1 整流充电模块薄弱环节分析
对于1台具有前述的各种保护功能的整流充电模块来说，其输入输出主回路发生故障的可能性较小，而其控制电路、辅助电源及显示电路发生故障相对较多。这部分电路元器件数量较多，又是弱电回路，在可靠性方面不及强电主电路，但这部分电路只要有1个元器件故障，都可能导致整机停止工作。其故障现象是：内部各个熔断器完好，输入输出主回路无短路、断路，功率元器件无损坏，只是无任何显示，无输出，冷却风扇不工作等。
整流充电模块的辅助电源电路原理图如图6所示。当整流模块刚接通电源时，软启动继电器的触点K1还没有吸合，功率因数补偿升压电路还没有进入正常工作状态，此时只有交流输入端的辅助变压器T1的次级经整流滤波后有直流电压输出，经D C/D C变换后为控制电路和显示电路等供电，这部分电路都正常工作后K1吸合，输入软启动结束。在K1吸合后，此时功率因数补偿的升压电感的辅助绕组感应出100 Hz的脉动电压，经整流二极管V3后变为直流电压，此直流电压要高于变压器T1输出的整流直流电压，所以，在整流模块正常工作时，变压器T1二次侧整流二极管V1和V2被整流二极管V3输出的高电压反向截止，所有控制电路由T2的辅助绕组经整流二极管V3供电。
从辅助电源的工作原理可看出：①辅助电源的保护功能没有主电路的那样齐全完善，抗击电源电压波动的功能偏弱；②辅助电源在整流器通电开机瞬间易受电源电压波动的影响，即交流输入端的电源电压波动将会影响到输入软启动的正常工作；③在通电开机瞬间，若有异常尖峰电压出现，则将通过辅助电源直接影响到控制电路、保护电路和显示电路的正常启动，从而影响整流充电模块的启动。
操作过电压是由于电源系统内部参数发生变化时电磁能量振荡和积累所引起的。当输入开关操作时（开或关），电源系统由一种稳定状态过渡到另一种稳定状态，这个过渡过程的物理变化较复杂，但在这个转变过程中，由于系统内部电磁能量的振荡、互换及重新分布，可能在某些设备（尤其容抗性设备）甚至在整个下级系统中出现较高的过电压，这种过电压是高频分量与工频电压的叠加，表现为尖峰量。这种瞬间的过高电压可能对辅助电路中的元器件造成冲击破坏。
在实际操作中，由于不正确地开、关机行为，易产生过高的操作过电压（尖峰电压），此操作电压可能损坏辅助电路中耐压能力不强的元器件，从而造成模块故障停机。
3.2 未逐个断开分回路开关，直接断开总开关引起整流模块损坏
在未断开各分回路开关时，就直接断开回路总输入开关，其分闸电流较大。输出负载的电流越大，分闸时产生的电弧就越大，由此产生的过电压值将成倍增加。若开关性能不良（息弧能力差），或负载电流太大，分断此开关时触头将发生电弧重燃，此时的操作过电压将按3U、-5U、7U（电源电压）的规律上升[1]，此类过电压对辅助电路的元器件来说是非常危险的。当然，实际上由于受到一系列复杂因素的影响，过电压幅值会偏小些。
因此，在实际操作中，为避免产生过高的尖峰电压对电子设备的破坏，应按先分断分路开关，再断总开关的步骤进行。
3.3 未采用分段逐个合闸送电方式造成整流充电模块损坏
在开关合闸初瞬间的暂态过程中，电源电压通过线路和设备中的电感L对设备的电容C充电，此时回路中将发生高频振荡过程，振荡频率很高，在合闸后的 的时刻，产生的振荡电压最高，若合闸瞬间的电源电压值为电压峰值，则在这一时刻的振荡电压值达到最大2倍的电源电压峰值。实际上由于受到一系列复杂因素的影响，该值会偏小些，一般在1.3～1.6倍，容抗大，取大值，容抗小，则取小值[1]。
因此，在应用中，为避免产生过高的合闸尖峰电压对设备的破坏，应采用分段逐个合闸送电方式。
3.4 带电插拔整流模块引起的损坏
在整流充电模块带电插拔过程中，最容易发生模块的电刚接通又被分开后再被接通的循环过程，这个过程可以用开关重复合、分闸的电气过程来模拟。
从上面的开关分、合闸过程的论述可知，每次合闸瞬间会产生至少1.3U（电源电压）振荡电压峰值，若被立即分断又产生电弧，由此将产生3U的操作过电压，若此操作过电压与合闸时的振荡电压反极性，则在线路上生成接近4U的尖峰电压。从理论上来讲，经过多次如此的分、合闸后，这个过渡过程产生的过电压值将逐次增加，对设备的破坏概率将更高。
因此，在实际应用中，为避免产生过高的尖峰电压对设备的破坏，须避免带电插拔整流充电模块。
4 解决方案
从上面的分析可知，带负载的合闸、分闸过程（大开关的分、合闸），以及多次重合闸过程（带电插拔）都将产生危险的瞬态过电压（即操作过电压），这种操作过电压以及合闸时的浪涌冲击电流都极易造成整流充电模块的辅助电路元器件的损坏，因此，为了避免整流充电模块的人为故障，我们采取如下措施。
(1）EPS装置检修时应采用的操作方式：①停电步骤：断开各负载开关→按逆变器使用手册将逆变器停机并转换到手动旁路模式→断开蓄电池组开关→依次断开充电柜上的各个控制整流充电模块的微型断路器（K1～K4）→断开I路、II路总开关；②送电步骤：合闸I路、II路总开关→依次合闸充电柜上的各个控制整流充电模块的微型断路器（K1～K4）→合闸蓄电池组开关→按逆变器使用手册将逆变器正常开机→合闸各负载开关；③检修完成后的性能测试步骤：依次断开充电柜上的各个控制整流充电模块的微型断路器→将I路、II路总开关分断，测试逆变器能否正常切换至逆变工作；测试20 min后，再将I路、II路总开关合闸，测试逆变器能否正常切换到旁路回路工作；正常切换后→断开蓄电池组开关→依次合闸充电柜上的各个控制整流充电模块的微型断路器→各模块正常开机后合闸蓄电池组开关，测试结束。
(2）非紧急情况下，禁止带电插拔整流充电模块，若需更换某个整流充电模块，则操作主监控模块将该整流充电模块关机，再对该模块断电后进行。
(3）当某个整流充电模块的输出电流大于2.5 A（经验值）时，严禁将其分开关分闸。
上述方案执行后，深圳地铁车站的应急电源装置整流充电模块的可靠性大大提高。
参考文献
[1] 机械工程手册与电机工程手册编辑委员会. 电气工程师手册[M].北京：机械工业出版社，1987.
[2] 康华光. 电子技术基础[M]. 2版.北京：高等教育出版社，1982.
[3] 阮新波，严仰光. 直流开关电源的软开关技术[M]. 北京：科学出版社，2000.
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