变频器开关电源的原理及维修
变频器开关电源的原理及维修
维修部 杨海涛
电源是每一个电路的重要组成部分，担负着为电路提供能量的重要作用，它是设备能够正常运行的重要保障。电源的种类很多，开关电源由于体积小、重量轻、效率高、动态稳压效果好，因此被广泛应用到了各种电子设备中。下面就以UC3844开关电源芯片为例讲述一下开关电源的基本原理和在变频电路中的作用。右图a-1所示为开关电源PWM波形调制芯片。该图为8脚双列直插封装。 7脚是芯片的电源输入端，该端在内部集成了稳压器和最低门限电压控制器，所以该芯片不用在外围设置稳压电路，只要接一只降压电阻即可。最低门限值为10V，当7脚输入电压低于10V，该芯片将禁止输出，处于保护状态。正常工作时该端电压约为12V—16V之间。 4脚是内部压控振荡器的定时端，通过接上合适的RC网络，使输出的PWM波控制在20KHZ—100KHZ之间。 a—1 2脚、3脚是输出取样反馈端，用于检测开关电源的输出，以便进行PWM调制控制，从而达到稳压的目的。 在变频器系统中，开关电源需要输出：一组5V/DC、一组±12V/DC、四组20V/DC等多组电压。其中5V/DC 主要用作主板及控制板的供电，±12V/DC用作霍尔检测器件的供电，四组20V/DC用作IGBT的触发供电。变频器的型号及品牌不同，其开关电源的电压值也不尽相同，但基本构架是一样的，在此仅以下图为例讲一讲开关电源的工作原理。 a—2 如图a—2所示：电源经D1—D4、C1、C2整流滤波之后，通过降压电阻R3到了UC3844的7脚电源正端，为其供电，UC3844通过检测当7脚电压大于10V时，控制内部压控振荡器开始工作，通过R8、C5将PWM的频率控制在要求范围之内。此时6脚输出PWM信号去控制开关管Q1的通断，R10是开关管的电流检测电阻，通过检测R10的电压值来实时调整PWM的脉冲宽度，从而达到自动稳压的目的。在图中变压器的副绕组通过D6、C7、C8整流滤波之后到了UC3844的7脚，增强了UC3844的驱动能力。C9、R11、D5是开关管的滤波吸收网络，目的在于吸收变压器的反向脉冲，保护开关管。AC-1——AC-4是开关变压器的次级输出绕组，通过D7、D8、D9、D10、C10、C11---C17进行整流滤波后输出对后级电路进行供电。了解了开关电源的原理之后，让我们来看看如果开关电源出现问题应该怎样进行维修。开关电源的几个维修步骤如下： 1、检测整流电路D1—D4是否击穿或断路，滤波电路的电容是否损坏，平衡电阻R1、R2是否正常，降压电阻R3是否烧断或阻值增大失效（断电情况下测试）。 2、检测开关管b-e结、c-e结是否有击穿短路现象、测量开关变压器各个绕组是否有短路现象，以确定开关管、及开关变压器的好坏（断电情况下测试）。 3、检测次级输出绕组的整流滤波元件，重点察看滤波电容是否鼓包或损坏，以排除次级电路短路的可能。 4、检测吸收回路D5、R11、C9是否正常（断电情况下测试）。 5、在确定上述元件正常的情况下，我们可以把开关电源板从变频器上取下单独对其进行加电试验。用调压器缓缓地调至开关电源的额定电压值，此时应能听到变压器起振时的吱吱声，如没有听到起振的声音，用万用表检测UC3844的电源正、负级之间是否有12V—16V左右的直流电压。 6、在确定UC3844的供电端电压正常后，可用示波器察看一下UC3844的6脚是否有PWM波输出到开关管的触发端（根据电路设计的不同，PWM波的频率一般在20KHZ—100KHZ之间）。 7、如果没有PWM波输出，则更换定时元件C5、R8、C6或UC3844。经过上述几个步骤的排除，开关电源应该可以正常工作了。在变频器中，开关电源的种类很多，但基本原理都是一样的，比如说每个PWM管理芯片都有供电端、定时元件RC网络、输出PWM波的端口等，只要我们了解了它们的工作原理，按照一定的方法步骤都能够把故障排除掉。下面就把实际维修中遇到的问题和解决办法列举出来，供大家参考一下。案例1：台达变频器（故障现象：上电无显示）经检测发现电源主回路、充电电阻、主回路接触器都正常，因此确定为开关电源板故障。按照上述维修步骤对开关电源板进行测量。在进行第一步测量时，发现直流母线560V到PWM调制芯片之间的的330KΩ/2W的降压电阻损坏，标称330KΩ/2W的电阻，实际测量值达2MΩ以上，因此PWM调制芯片得不到启动的电源，所以无法起振工作。为谨慎起见又检测了开关管、变压器、整流二极管及滤波电容等关键器件，在确定没问题之后上电试验，OK！开关电源起振，输出各组电压正常，装回变频器后开机试验正常，此变频器修复完毕（注：维修人员在维修中，一定要养成习惯：发现坏元件后不要急于更换试机，一定要把功率大的、容易坏的元件都测一下，确定没问题后再试机，这样既安全又保险）。案例2：台安变频器（故障现象：上电无显示）经检测发现电源主回路、充电电阻、主回路接触器都正常，故障确定在电源板。按照维修步骤对开关电源板进行测量。第一步测量通过，第二步测量时发现开关管c-e结击穿，将其拆下，然后检测变压器、及整流二极管、滤波电容等关键器件，在确定没问题之后上电试验，输出各组电压正常，装机测试正常，故障排除。案例3：西门子变频器（故障现象：上电无显示）经检测发现电源主回路、充电电阻、主回路接触器都正常，故障确定在电源板。按照维修步骤对开关电源板进行测量。第一步测量通过，第二步测量通过，第三步测量通过，第四步测量通过，然后单独对电源板加电测量PWM调制芯片的电源端对地有12.5V左右的电压，说明供电正常。用示波器看芯片的PWM输出端，发现没有PWM调制波形。更换PWM调制芯片后，上电试验正常，故障排除。案例4：施耐德变频器（故障现象：上电无显示）屡烧开关管经检测发现电源主回路、充电电阻、主回路接触器都正常，故障确定在电源板。按照维修步骤对开关电源板进行测量。第一步测量通过，第二步测量发现开关管击穿，第三步测量通过，第四步测量通过，更换新的开关管，单独对电源板加电，管子又烧了。把开关管拆下后不装管子，通电试验，测量PWM调制芯片的电源端对地有12V左右的电压，也正常。用示波器看芯片的PWM输出端，发现PWM波只有5-6 KHZ左右，断电后把定时元件拆下测量，发现定时电阻阻值变大，更换定时电阻、开关管后上电正常，不再烧电源管，故障排除。案例5：伦茨变频器（故障现象：上电无显示）屡烧开关管按照维修步骤对开关电源板进行测量。第一步测量通过，第二步测量时发现开关管c-e结击穿，第三、四、五、六、七步都测量通过。装上新的开关管上电试验，随着调压器电压的升高，可以听到起振的吱吱声，就是有点响，把电压调到额定电压后测量输出电压低于正常值，不到2分钟，突然闻到一股烧焦的味，保险丝就断了，赶快断电发现开关管很烫手，测量发现其已经击穿。拆下开关管通电试验，测量PWM调制芯片的电源端对地有12V左右的电压，用示波器看芯片的PWM输出端，发现有PWM波输出且频率在30 KHZ左右，也正常。因此怀疑刚换的开关管质量不行，又换上一只，上电试验，结果又把管子给烧了，断电后无意之间碰到了吸收回路的元件，发现烫手，可是在测量的时候正常啊，于是又测一遍，还是正常。干脆把吸收回路先拆了，又换上一只管子通电试验，发现变压器的吱吱声小了，测量各组输出电压也正常。运行了20分钟开关管也没再烧，断电后触摸开关管微热，属正常起热状态，因此判断故障在吸收回路，更换吸收回路元件，故障排除。有的元件老化后虽然我们在冷态测量是好的，可能加电一起热就不行了。以上是一些维修的小经验，在此和大家分享。
例一:康沃CVF-G1 型开关电源故障检修
接手了3台康沃CVF-G1型小功率机器，故障皆为开关电源无输出，无屏显。该机开关电源的IC为3844B，手头无此型号的IC，况不可能3台机器都是3844B损坏了吧？故先从其外围电路查起。
所有开关电源不外乎有以下几条支路：1、上电启动支路，往往由数只较大阻值的电阻串联而成，上电时将500V直流引至3844B供电脚，提供开关管的起振电压；2、正反馈和工作电源支路，由反馈绕组和整流滤波电路组成（有的机器由两绕组供电支路组成，有的兼用。）；3、稳压支路，一般由次级5V供电支路，将5V电压的变化与一基准电压相比较，其变量由光耦反馈到初级3844B的2脚，但该机型的电压反馈是取自初级。
电路起振的条件是：1、500V供电回路正常，500V直流经主绕组加至开关管漏极，开关管源极经小阻值电流采样电阻形成供电回路；2、上电启动支路正常，提供足够幅度的起振电压（电流）；3、正反馈和工作电源支路正常，提供满足幅度要求的正反馈电压（电流）和工作电源；4、负载侧无短路，负载侧短路无法使反馈电压建立起来足够的幅度，故电路不能起振。以上电路可称之为振荡回路。
为缩小故障，应采用将稳压支路开路，看电路能否起振。应施行降、调压供电并将易受过电压冲击损坏的电路供电切断，确保安全。若能起振，说明满足起振条件的4个支路大致正常，可进而排查稳压支路的故障元件。若仍不能起振，说明故障在振荡回路，可查找上述的四个支路。
依上述检查次序，甲、乙、丙机开关电源的故障都在振荡电路。检查甲机四个支路及3844B外围元件都无异常，试将一块3845B代换之，电源输出正常，修复；乙机，换用3845B后仍不能起振，4个支路元件都无异常，试将上电启动支路的300k电阻并联200k 电阻后，上电恢复正常；丙机也为3844B损坏，换新块后故障排除。
只有乙机的故障稍微有趣，试分析如下：
表面看起来，乙机查不出一个坏件，致使维修陷入困境。但减小启动支路的电阻值后，则能正常工作。乙机的“异常之处”到底在哪里呢？可能是元器件性能的微弱变化导致电器参数的的变动，如开关管放大能力的些微降低、或开关变压器因轻度受潮使Q值变化、或3844B输出内阻有所增大，或阻容元件有轻微变异，上述原因的查找与确认委实不易，或者是有一种，甚至有可能是数种原因参与其中。但上述多种原因只导致了一个后果：开关管不能被有效启动，电路不能起振！解决的办法是转变掉现有状态，往促成开关管起振的方面下力气，在起动支路并联电阻是最省力也是最有效的一个方法。
顺便说明一下，该机的启动支出路电阻为300k，再加上其它环节的电阻，实际加到开关管栅极的启动电流仅1mA多一点。虽然场效应管为电压控制器件，理论上不吸取电流，但能使其导通的结电容充电电流，恰恰是使其导通的硬指标。从此一角度来讲，场效应管仍为电流驱动器件。当电路参数产生变动后，原启动支路的供给电流不足以使开关管导通乃至微导通，所以电路不能起振。将此启动电流值稍稍加大，电路便有可能起振。300k启动电阻有阻值偏大之嫌，我认为稍稍减小其阻值有利无弊。
因而高效率的修理方法不妨走以下的路子：检查开关管不坏，4个支路大致无异常，先在启动支路上并联电阻试验，无效后，再换用3844B，再无效，才下功夫细查电路。往往第一、二个步骤，故障就已经排除了。
例二：佳灵JP6C-9开关电源故障一例
上电，操作面板无显示，检测主电路输入、输出端子电阻均正常。判断为控制板开关电源故障。细听有轻微的间隔的嗒、嗒声，显然为电源起振困难。据经验，此种现象多为电源负载异常引起。查各路电源的整流、滤波及负载电路，均无异常；先后脱开散热风扇电源、逆变驱动电源、操作面板显示电源等电流较大的电源支路，故障现象依旧。
检查并联在开关变压器一次绕组的尖峰电压吸收网络（由电阻与电容并联后与二极管串联），用指针式万用表测量二极管正反向电阻均为15欧姆，感觉异常。将两只并联二极管拆开检测，正常。细观察，电容器有细微裂纹，测其引脚，查出为2kV 103电容击穿短路。更换后，机器恢复正常。
此电容短路引起开关电源起振困难的故障殊不多见。
此电压尖峰电压吸收网络的设置，本是为了吸收开关管截止期间产生的异常的危及开关管安全的尖峰电压，但电容击穿后，开关变压器一次绕组相当于并联了二极管。对开关变压器来说，开关变压器在开关管导通期间吸入的能量在开关管截止期间，被二极管快速泻放，不能够积累产生振荡能量，同时二极管相当开关变压器一个过重的负载，因而造成开关电源起振困难的故障现象。
例三：台安N2-1013变频器开关电源故障
上电即跳OC故障，检测逆变输出模块未损坏，六块逆变驱动IC已损坏大半。进一步检查发现，开关电源有一奇特现象：甩开CPU主板供电时，测+5V正常，但其它支路的供电较正常偏高，如+15V为+18V，22V的驱动供电为26V，担插上CPU主板的接线排时，测+5V仍正常，但其它支路的供电较则出现异常升高现象！如22V的驱动供电甚至于上升为近40V（PC923、PC929的供电极限电压为36V），驱动IC的损坏即源于此。
重点检查稳压环节，IC202、PC9等外围电路皆无异常。进一步查找其它电路也无“异常”，检修陷入僵局。
分析：电路的稳压环节是起作用的。稳压电路的电压采样取自+5V电路，拔掉CPU主板的接线排时，相当于+5V轻载或空载，+5V的上升趋势使电压负反馈量加大，电源开关管驱动脉冲的占空比减小，开关变压器的激磁电流减小，其它支路的输出电压相对较低；当插入CPU主板的接线排时，相当于+5V带载或重载，+5V的下降趋势使电压负反馈量减小，电源开关管驱动脉冲的占空比加大，开关变压器的激磁电流上升，使其它支路的输出电压幅度上升。现在的状况是，+5V电路空载时，其它供电虽输出较低，但仍偏高。+5V加载后，其它供电支路则出现异常高的电压输出！故障环节要么是电源本身故障导致带载能力变差，要么是负载电路异常，两者的异常都使得稳压电路进行了恪尽职守的“误”调节，结果是维护了+5V故障电路的“电压稳定”，出现了其它供电支路“异常的电压变化”！
下手检修+5V电路，拔下电源滤波电容C239，220u10V，检测：容量仅十几个微法，存在明显的漏电电阻。一只电容的失效正好满足了两个条件：容量变小使电源带载能力差，漏电使负载变重。
更换此电容后，试机正常。
例四：东元7200GA-30kW变频器
开关电源故障一例
该机在遭受雷击损坏修复后，运行了一个多月，又出现了奇怪的故障现象：运行当中有随机停机现象，可能几天停机一次，也可能几个小时停机一次；起动困难，起动过程中电容充电短接接触器哒哒跳动，起动失败，但操作面板不显示故障代码。费些力气起动成功后又能运转一段时间。
将控制板从现场拆回，将热继电器的端子短接，以防进入热保护状态不能试机；将电容充电接触器的触点检测端子短接以防进入低电压保护状态不能试机，进行全面检修，检查不出什么异常，都是好的呀。
又将控制板装回机器，上电试机，起动时接触器哒哒跳动，不能起动。拔掉12CN插头散热风扇的连线后，情况大为好转，起动成功率上升。仔细观察，起动过程中显示面板的显示亮度有所降低，判断故障为控制电源带负载能力差。
各路电源输出空载时，输出电压为正常值。将各路电源输出加接电阻性负载，电压值略有降低；+24V接入散热风扇和继电器负载后，+5V降为+4.7V，此时屏显及其它操作均正常。但若使变频器进入启动状态，则出现继电器哒哒跳动，间或出现“直流电压低”、“CPU与操作面板通讯中断”等故障代码，使操作失败。测量中，当+5V降为+4.5V以下时，则变频器马上会从启动状态变为待机状态。详查各电源负载电路，均无异常。
分析：控制电源带负载能力差的判断是正确的。由于CPU对电源的要求比较苛刻，不低于4.7V时，尚能勉强工作；但当低于4.5V时，则被强制进入“待机状态”；在4.7V到4.5V之间时，则检测电路工作发出故障警报。
可是意想不到的是此故障的检修竟然相当棘手，遍查开关电源的相关元器件竟“无一损坏”！无奈之下，试将U1（KA431AZ）的基准电压分压电阻之一的R1（5101）并联电阻试验，其目的是改变分压值而使输出电压上升。测输出电压略有上升，但带载能力仍差。细观察线路板，分流调整管Q1似有焊接痕迹，但看其型号为原型号，即使更换也是从同类机中拆换的。该机的开关管Q2为高反压和高放大倍数的双极型三极管，市场上较难购到，况电路对这两只管子的参数有较严格的要求。再结合故障分析，分流调整管的工作点有偏移，对Q2基极电流的分流太强，将导致电源带载能力差。试将与电压反馈光耦串接的电阻R6（330欧）串联47欧电阻以减小Q1的基极电流，进而降低其对Q2的分流能力，使电源的带载能力有所增强。上电试机，无论加载或启动操作，+5V均稳定输出5V，故障排除！
故障推断：开关管Q1有老化现象，放大能力下降，故经分流后的Ib值不足使其饱合导通（导通电阻增大）而使电源带载能力变差；分流支路有特性偏移现象，使分流过大，开关管得不到良好驱动，从而使电源带载能力差。
例五：英威腾P9/G9-55kW变频器
开关电源检修一例
在雷雨天气中突然停机，面板无显示，疑遭雷击损坏。
检查：输入整流模块与输出逆变模块俱无损坏。开关电源无输出，开关管损坏，电源引入铜箔条及开关管漏极回路的铜箔条都已与基板脱离，说明此回路承受了大电流冲击。
更换开关管与振荡块3844B后，给开关电源先送入交流220V整流电源，不起振，也验明了无短路现象；再送入500V直流电源，上电即烧电源引入保险丝F1。停电测量检查，无短路现象，更换保险丝后上电，低于300V直流时，不起振，送入500V时仍烧保险丝。分析电源的负载电路有短路故障时，电源往往不能起振；怀疑起振后开关管回路存在短路故障，但测量检查，确实无短路现象。检修进入死胡同。
仔细观察开关电源的线路板，开关电源的约550V直流电源通过主直流回路引入，线路板为双面线路板。电源引入端子在线路板的边缘，正面为+极引线铜箔条，反面为-极引线铜箔条，发现线路板边缘——+、-铜箔条之间有一条“黑线”！由于潮湿天气，使线路板材的绝缘降低，引起+、-铜箔条之间跳火，线路板碳化。电源电压低于某值时不会击穿，高于500V时便使碳化线路板击穿，烧掉保险丝。烧保险的原因并非起振后开关管回路有短路故障，而由线路板碳化引起。
清除线路板边缘的碳化物并做好绝缘处理，送入500V时不再烧保险，但不能起振。检查3844B供电支路的整流二极管D38（LL4148）有一定的反向电阻，更换后试机正常。
由线路板潮湿后被击穿碳化，引起烧保险故障，这也是开关电源中较少碰到的故障现象。
