藍(lán) 劍，朱桂霞，李迪亮，周田蜜，錢玉剛

（中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，湖北武漢 430070）

0 引言

在電子電路產(chǎn)品中，電子元器件本身的可靠性往往與產(chǎn)品的可靠性息息相關(guān)；尤其是對(duì)于電路中的高風(fēng)險(xiǎn)電子器件需要高度關(guān)注。通常要根據(jù)實(shí)際工況對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化以降低風(fēng)險(xiǎn)。

1 氣泵控制器應(yīng)用背景

氣泵控制器廣泛應(yīng)用于核電廠中的氚碳取樣器中，其目的是驅(qū)動(dòng)氚碳取樣器中的氣泵，從而為氚碳取樣器提供工作所需要的氣流。

常用的氣泵通常由頻率為50 Hz、有效值為220 V 的市電所驅(qū)動(dòng)。然而，由于市電的頻率和幅值無法調(diào)節(jié)，導(dǎo)致氣泵氣流量無法調(diào)節(jié)。因此，如要滿足可調(diào)節(jié)氣流量的需求，需要有針對(duì)性的設(shè)計(jì)控制器。由于控制器中存在功率電路，功率器件的工作可靠性即是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)又是關(guān)鍵點(diǎn)，對(duì)于控制器的可靠性至關(guān)重要。因此，將對(duì)應(yīng)用于氣泵控制器中的功率器件可靠性進(jìn)行深入分析。

2 氣泵控制器基本原理

應(yīng)用于系統(tǒng)中的氣泵控制器主功率部分采用推挽電路[1]（圖1）。推挽電路輸入為直流24 V 電壓，取自系統(tǒng)自帶電源；推挽電路輸出為幅值240 V 的交流方波，方波直接驅(qū)動(dòng)氣泵產(chǎn)生氣流。

圖1 推挽拓?fù)潆娐?/p>

圖2 控制電路方案

氣泵控制器的控制電路如圖2 所示[2]，輸入信號(hào)由外部控制器給出?？刂齐娐返墓δ芤环矫媸强刂乒β驶芈氛９ぷ?，驅(qū)動(dòng)氣泵輸出氣流；另一方面，控制電路可根據(jù)輸入信號(hào)的要求，控制功率回路輸出指定量的氣流。

控制電路主要由信號(hào)調(diào)理電路、PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制）生成電路、邏輯控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、功率器件等部分組成。信號(hào)調(diào)理電路主要由運(yùn)放構(gòu)成，負(fù)責(zé)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波、放大，以匹配后級(jí)電路應(yīng)用需求；PWM 生成電路主要由PWM 芯片構(gòu)成，其作用是用來產(chǎn)生PWM 驅(qū)動(dòng)波形；邏輯控制電路主要是用來產(chǎn)生兩路互斥的PWM 分別作為推挽拓?fù)渲袃蓚€(gè)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；驅(qū)動(dòng)電路作用是將信號(hào)級(jí)的PWM信號(hào)進(jìn)行功率放大，以便驅(qū)動(dòng)功率三極管。

輸入信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路處理之后送至PWM 芯片，PWM 芯片根據(jù)輸入信號(hào)幅值的大小控制輸出PWM 的占空比，從而控制推挽電路輸出交流方波電壓的脈寬，最終控制氣泵輸出的氣流量大小。

3 三極管基本工作原理

在氣泵控制器電路系統(tǒng)中，功率三極管主要工作在開關(guān)狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)功率電路的換流功能；同時(shí)為了減小三極管本身的發(fā)熱以提高三極管工作的可靠性，三極管上消耗的功率宜越小越好。

圖3 三極管輸出特性曲線

圖3 為三極管通用輸出特性曲線圖[3]，其中IB表示三極管基極電流，IC表示三極管集電極電流，uCE表示三極管導(dǎo)通壓降，圖中曲線描述在不同基極電流IB的作用下，三極管輸出特性。

由圖3 可知三極管工作狀態(tài)分為三種：飽和區(qū)、截止區(qū)、放大區(qū)。

當(dāng)三極管工作在飽和區(qū)時(shí)，三極管導(dǎo)通壓降uCE與集電極電流IC近似于線性關(guān)系。此時(shí)，三極管導(dǎo)通壓降很低，因此三極管導(dǎo)通損耗也較小。

當(dāng)三極管工作在放大區(qū)時(shí)，三極管集電極電流IC與基極電流IB成正比，同時(shí)由于uCE急劇增大，此時(shí)三極管導(dǎo)通損耗極大。

當(dāng)三極管工作在截止區(qū)時(shí)，三極管此時(shí)處于關(guān)斷狀態(tài)，僅有極小的漏電流。

基于上述分析，可以知道用作開關(guān)功能的三極管理想工作狀態(tài)是在截止區(qū)和飽和區(qū)之間進(jìn)行切換工作。當(dāng)三極管關(guān)斷時(shí)，宜工作在截止區(qū)；當(dāng)三極管導(dǎo)通時(shí)，宜工作在飽和區(qū)。

4 氣泵控制器設(shè)計(jì)隱患

在對(duì)氣泵控制器測(cè)試過程中，發(fā)現(xiàn)氣泵控制器輸出電壓在帶載工況下出現(xiàn)了畸變。圖4 為氣泵控制器空載時(shí)輸出電壓，圖5 為氣泵控制器帶載時(shí)輸出電壓?？梢悦黠@看到帶載時(shí)，輸出電壓出現(xiàn)塌陷。

圖4 控制器空載輸出電壓

圖5 控制器帶載輸出電壓

由于氣泵控制器輸出電壓通過變壓器副邊輸出，且副邊輸出電壓與原邊輸入電壓成比例[4]。因此，進(jìn)一步對(duì)變壓器原邊波形進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試對(duì)比原邊三極管集射極電壓uCE與輸出電壓，如圖6 所示。

圖6 三極管集射極電壓與輸出電壓

從圖6 中可以很明顯看到在輸出電壓塌陷的同時(shí)，三極管集射極電壓uCE出現(xiàn)抬升。因?yàn)槿龢O管集射極電壓與變壓器輸出電壓成反比，因此可以初步斷定氣泵控制器輸出電壓垮塌的原因是三極管集射極電壓升高對(duì)變壓器輸出電壓產(chǎn)生了分壓，從而造成輸出電壓垮塌。

根據(jù)第3 節(jié)分析，三極管的工作區(qū)間有三種：截止區(qū)、飽和區(qū)、放大區(qū)。當(dāng)三極管導(dǎo)通，三極管工作在放大區(qū)時(shí)集射極電壓上升明顯。因此可以判斷三極管在導(dǎo)通時(shí)進(jìn)入到了放大區(qū)，導(dǎo)致三極管導(dǎo)通壓降uCE上升明顯。

三極管作為功率開關(guān)器件，其功耗是需要重點(diǎn)關(guān)注的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，功耗越大三極管溫升越高，并最終影響三極管壽命。

當(dāng)三極管導(dǎo)通壓降升高時(shí)，造成的最直接影響就是三極管導(dǎo)通損耗顯著增加。因此，對(duì)于功率三極管，通常希望它在導(dǎo)通時(shí)工作在飽和區(qū)域，以便降低導(dǎo)通損耗。

5 氣泵控制器改進(jìn)方案及效果

根據(jù)上文，氣泵控制器在帶載情況下，三極管導(dǎo)通時(shí)的工作狀態(tài)由飽和區(qū)進(jìn)入到放大區(qū)，而空載時(shí)無此情況。結(jié)合第3 節(jié)分析三級(jí)管工作的原理可以判斷，三極管進(jìn)入放大區(qū)的原因是因?yàn)樵趲лd情況下，負(fù)載電流變大導(dǎo)致三極管集電極電流IC增大，從而使三極管工作狀態(tài)越過飽和區(qū)進(jìn)入放大區(qū)。因此，可以通過提高三極管基極電流IB來提升三極管由飽和區(qū)過渡到放大區(qū)的集電極電流IC的閾值。

圖7 三極管驅(qū)動(dòng)電路

圖8 三極管Q1 導(dǎo)通波形對(duì)比

圖9 三極管Q2 導(dǎo)通波形對(duì)比

圖7 為氣泵控制器三極管驅(qū)動(dòng)電路，其中Q1采用三極管驅(qū)動(dòng)，Q2為驅(qū)動(dòng)芯片直驅(qū)。原設(shè)計(jì)中三極管柵極驅(qū)動(dòng)電阻均為820 Ω，驅(qū)動(dòng)電壓為5 V。

為減小柵極電流IB，現(xiàn)將驅(qū)動(dòng)電阻減小至500 Ω。對(duì)三極管帶載導(dǎo)通壓降進(jìn)行測(cè)試，并與原設(shè)計(jì)導(dǎo)通壓降進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試波形如圖8 和圖9 所示，從圖中可以很明顯看到三極管導(dǎo)通電壓出現(xiàn)下降。

對(duì)圖8 和圖9 中幅值進(jìn)行測(cè)試，記錄數(shù)據(jù)如表1 所示。根據(jù)表1 的測(cè)量數(shù)據(jù)，可以看到當(dāng)減小柵極電阻時(shí)，三極管導(dǎo)通壓降uCE下降顯著。

表1 三極管導(dǎo)通電壓幅值對(duì)比

根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)的下降趨勢(shì)，進(jìn)一步對(duì)驅(qū)動(dòng)電阻進(jìn)行減小以增大基極電流IB來獲取更低的導(dǎo)通壓降。但是經(jīng)過測(cè)試，發(fā)現(xiàn)三極管電壓導(dǎo)通幅值下降不明顯。通過分析，可以判斷由于驅(qū)動(dòng)芯片的驅(qū)動(dòng)能力有限，無法進(jìn)一步增大IB，因此，進(jìn)一步的優(yōu)化方案需要對(duì)驅(qū)動(dòng)電路原理圖進(jìn)行修改。結(jié)合深入優(yōu)化三極管驅(qū)動(dòng)電路所需要耗費(fèi)的時(shí)間成本、經(jīng)濟(jì)成等，本次可靠性改進(jìn)僅對(duì)驅(qū)動(dòng)電阻進(jìn)行改進(jìn)，暫不對(duì)電路原理進(jìn)行改進(jìn)。

6 結(jié)語

當(dāng)產(chǎn)品中包含功率電路時(shí)，功率電路本身輸入輸出功率較大，同時(shí)，其承受的損耗功率往往也較大，導(dǎo)致功率器件通常是電路中的薄弱環(huán)節(jié)，因此需要重點(diǎn)關(guān)注功率器件的工作狀態(tài)，盡可能降低其風(fēng)險(xiǎn)，從而提升產(chǎn)品的整體可靠性。