高压电源输入线电压采样异常问题分析.pdf

59与车辆移动电源2023年第3期高压电源输入线电压采样异常问题分析万志华，李?信，宫佳鹏，张楚薇（北京航天发射技术研究所，北京，1 0 0 0 7 6）摘要：本文分析某高压电源运行过程中输入线电压异常保护问题。通过对故障现象进行排查分析，列出故障可能原因，定位并分析故障机理，提出解决措施并开展试验验证。通过跟踪技术状态完善后产品的工作及性能指标实现情况，证明故障原因定位准确，处理措施有效，故障彻底消除。关键词：高压电源；电压采样异常；故障分析；处理措施Doi:10.3969/j.issn.1003-4250.2023.03.014中图分类号：TM83文献标志码：A文章编号：1 0 0 3-42 50（2 0 2 3）0 3-0 0 59-0 01引言高压电源为AC/DC电源，是将输入的三相交流电变换为高压直流电，为后端高压直流用电负载供电，并能够实现状态监测以及故障报警和保护。高压电源由两个功率单元模块和一个通信模块组成。其中，功率单元模块包括：输入空气开关、输入交流滤波器、高压电源模块、输出直流滤波器等。三相38 0 V交流电通过经空气开关进入交流滤波器，然后输入到高压电源模块，在高压电源模块内经AC/DC、D C/D C 变换将输入的38 0 V交流电变换为高压直流电，并通过输出直流滤波器给用电负载供电。高压电源内包括两个完全相同的电源模块，两个电源模块分别与通信模块连接，上传运行与报警信息、接受并执行控制指令。在某次运行过程中高压电源内的电源模块1 故障灯常亮无电压输出，上位机显示电源模块1“电网过压”故障、CA线电压7 6 1 V（正常应在37 0 V-390V范围内）。同一设备内的电源模块2 运行正常。2高压电源输入线电压采样异常问题的分析2.17高压电源原“输入过压”门问题分析首先对高压电源进行上电检查，上位机读取电源信息，电源模块1 处于“故障状态”，其输入采样线电压分别为VAB：37 3V、V B c:37 3V 和VcA:761V。进一步分析，测量采样电路电压波形，如图1所示，其中左图为CA线电压采样电路电压波形，右图为AB线电压采样电路电压波形。可以看到正常的AB线电压采样电路输出波形为正弦波，而采样异常的CA线电压采样电路输出波形近似方波。采样电路输出电压异常，造成高压电源误报“输入过压”故障。TeKM40:0MM40:0T22228最小维婚大值2.小7CA线电压采样输出波形（异常）AB线电压采样输出波形（正常）图1线电压采样电路输出波形综上，确定高压电源“输入过压”的原因是输入CA线电压采样电路异常。CA线电压采样电路原理如图2 所示。R51TP331852881148951C4ATP23924R182BAV99F220F505AIR94R7元TPA1882-SRL0150L1nF50VOD6F:5OV图2CA线电压采样电路图60移动电源与车辆2023年第3期该电路主要由差分放大电路、电阻分压电路组成，并辅助滤波电路和防护电路。差分放大电路将CA线电压转换为1 2 V以内的低电压，并去除共模保留差模；电阻分压电路由三只精确的匹配的电阻组成，能够将差分放大电路输出的1 2 V之间的交流电转换为0-3V以内的交流电，满足DSP的AD口采样要求。该电路前级为差分放大电路，当输入为38 0 V交流时，其输出电压为：R2620VoPA=Vinx(3801.414)8.14VXRin2206后级为电阻分压电路，此时其输出电压为：R174/R222.4/3Vsam_Ac=VoPA*R=8.14x0.958VR162+R174/R2210+2.1/3R162/R2210/3Vsam_DC=VREFx=31.47VR174+R162/R222.4+10/3其中，Vsam_4c为输出电压的交流成份的峰值，Dc为输出电压的直流成份。2.2高压电源线电压采样问题分析基于前述电路原理与问题排查，建立输入CA线电压采样电路异常的故障树，如图3所示。输入CA线电压采样电路异常设计不合理电路供电异常元器件损坏元器件运放1 2 V3V基准降额设运放损无源器计不合供电异电源异坏件损坏常常理S3S4S5S1S2图3输入CA线电压采样电路异常故障树下面对输入CA线电压采样电路异常故障树所有底事件进行逐一排查。S1元器件降额设不合理高压电源元器件按照GJB/Z35-1993进行选型设计，输入CA线电压采样电路各元器件降额设计复查结果如下表：表1输入线电压采样电路器件降额设计情况元器规格降额情况及器件允许工作温度件电压：额定值1 0 0 V，实用值52.4V，降额系数52.4/1 0 0-0.52 4，满足1 级降额功率：额定值0.2 5W，实用值0.0 0 6 W，降额系数0.0 0 6/0.2 5=0.0 2 4，满足1 级降电阻220k额温度：-55 1 50 电压：额定值50 V，实用值3.2 8 V，降额系数3.2 8/50=0.0 6 6，满足1 级降额功率：额定值0.1 W，最大实用值0.0 0 0 5W，降额系数0.0 0 0 5/0.1=0.0 0 5，满足1电阻20k级降额温度：-55 1 2 5电压：额定值50 V，实用值6.55V，降额系数6.55/50-0.1 31，满足1 级降额功率：额定值0.1 W，最大实用值0.0 0 42 W，降额系数0.0 0 42/0.1=0.0 42，满足I电阻10k级降额温度：-55 1 2 5电压：额定值50 V，实用值2.1 5V，降额系数2.1 5/50=0.0 43，满足1 级降额功率：额定值0.1 W，最大实用值0.0 0 1 5W，降额系数0.0 0 1 5/0.1=0.0 1 5，满足1电阻3k级降额温度：-55 1 2 5电压：额定值50 V，实用值2.2 1 V，降额系数2.2 1/50=0.0 44，满足1 级降额功率：额定值0.1 W，最大实用值0.0 0 2 0 W，降额系数0.0 0 2/0.1=0.0 2，满足I级电阻2.4k降额温度：-55 1 2 5电压：额定值50 V，最大实用值1.5V，降额系数1.5/50-0.0 3，满足1 级降额电容22pF温度：-55 1 2 5电压：额定值50 V，最大实用值3.2 8 V，降额系数3.2 8/50=0.0 6 6，满足1 级降额电容100pF温度：-55 1 2 5电压：额定值50 V，最大实用值2.1 5V，降额系数2.1 5/50=0.0 43，满足I级降额电容2.2nF温度：-55 1 2 5二极电压：额定值7 0 V，实用值3.3V，降额系数3.3/7 0-0.0 47，满足I级降额BAV99管温度：-55 1 50 电压：额定值36 V，实用值2 4V，降额系数2 4/36=0.6 6 7，满足I级降额运放TPA1882温度：-40 1 2 5根据复查结果，元器件低温为-40 或-55，高温为1 2 5以上，器件电压、功率等降额均满足I级降额，元器件降额设计合理。因此，可以排除S1。2.2.2S2运放供电异常61与车辆移动电源2023年第3期通过实测，运放VCC供电电压为+1 2.0 6 V，VSS供电电压为-1 2.1 2 V，总电压值2 4.1 8 V，在器件允许值4.5V36 V 范围内，满足设计要求。电压波形图4所示，从波形可以看到，运放供电电压稳定无异常。Teka(a)VCC电压波形(b)VSs电压波形图4运放供电电压波形因此，可以排除底事件S2。2.2.3S33V基准源异常通过实测，提供直流偏置的基准源电压为+2.998V，满足0.5%精度要求，电压波形如图5所示。从波形可以看到，基准源电压稳定无异常。Tek停止10.0ms10.0M次/秒D1.00V1M点8.00V值平均值丹小值大值标准着图53V基准源电压波形因此，可以排除底事件S3。2.2.4S4运放损坏运放损坏后可能导致运放输出为OV，与实际故障不符。因此，可以排除S4。2.2.5S5无源器件损坏对CA线电压采样电路各无源元器件进行测量，确认2 2 0 k电阻（R74、R 8 9、R 9 5、R 1 1 4、R 1 2 8、R138、R 7 9、R 9 4、R 1 0 0、R 1 1 9、R 1 33、R 1 43)10k电阻(R162)、2.4k 电阻(R174)、3k 电阻(R22)、钳位二极管(D10)、1 0 0 p F 电容(C14、C 2 5)、2 2 p F电容(C24)、2.2 n F 电容(C180)电气参数均正常，2 0 k电阻R51阻值正常、测试R26阻值为1.2 57 MQ2，大幅度超出允差范围。对R26更换新的2 0 k电阻，再次上电后高压电源工作正常。因此，将问题定位于S5。2.3电阻R26阻值异常原因分析将R26电阻送专业机构进行失效分析，分析结论为：是由于电阻器引出银电极腐蚀所致，腐蚀原因是由于器件端电极与玻璃釉保护层之间存在缝隙，导致腐蚀性介质进入电阻膜与端电极之间的缝隙并引起引出银电极腐蚀，进而导致电阻膜与端电极之间接触电阻增大。失效电阻电镜检测与能谱测试结果如图5所示，图5失效电阻电镜检测与能谱测试结果2.3.1厚膜电阻硫化机理介绍对于贴片元器件，硫化现象一般只发生在厚膜电阻，厚膜电阻端电极和二次保护包覆层之间的结合处，存在微小的孔隙或缝隙，空气中的硫化物通过电阻端电极和二次保护包覆层交界孔隙或缝隙进入到电阻面电极，面电极中的银（Ag）极易与硫（S）发生化学反应，生成低电导率的硫化银（A g 2 S），从而导致电阻的阻值增大直至开路。图6为含硫气体入侵路径。硫化气体入侵路径二次保护包覆层Sn层面电极Ag/Pd电阻体Ni层生成硫化银物质，切断面电极NiC层陶瓷基体图6含硫气体入侵路径2.3.2R26电阻硫化原因分析对电阻R26硫化原因进行分析，并列出故障树如图7 所示。622023年第3期移动电源与车辆S5：R 2 6 电阻硫化电阻生材料含机械应防护工产制程硫力艺不当异常S5.1S5.2S5.3S5.4图7 合含R26电阻硫化故障树S5.1排查：检查高压电源的灌封材料选用道康宁品牌的有机硅胶，清洗剂选用浓度为9 9.5%的无水乙醇，及其他辅料，均未检测到硫元素。因此可排除S5.1。S5.2排查：若电阻在生产过程中受到机械应力，可能导致电阻端电极和二次保护包覆层之间的结合处缝隙变大，在含硫环境中电阻受到腐蚀硫化。通过复查生产工艺，生产过程中PCB板保护良好，不会对电阻产生影响。因此可排除S5.2。S5.3排查：高压电源模块采用灌封工艺，灌封胶为道康宁品牌的EE-1100A和EE1100B型号的AB胶，为有机硅材质。灌封过程采用专用设备控制流量和胶配比，灌封完成后抽负压排泡提高硅胶致密性，提升防护效果。对产品进行硫化氢试验，未见异常。因此可排除S5.3。S5.4排查：联系电阻生产厂家进行分析，分析结果如下：由于该产品的树脂保护层与端电极的结合位置不是气密封结构，树脂浆料在烧成过程中有机溶剂会挥发，气体会从树脂浆料中排出，但仍有些气体会残留在树脂中形成超微气泡，该产品的树脂保护层烧成温度相对较低，电阻保护层中分布的气泡相对较多，致密性差。易导致产品树脂保护层致密性相对较差，硫化物更容易通过端电极与树脂保护层的结合处侵入内部腐蚀银层，与银电极发生反应生成不导电的硫化银，导致电阻阻值变大。因此，不能排除S5.4。2.4分析结果通过上述分析验证，高压电源输入CA线电压采样过压问题定位于：R26电阻树脂保护层致密性存在个体差异，腐蚀性介质通过端电极与树脂保护层的结合处侵入内部，腐蚀银层导致电阻硫化，引起输入CA线电压采样电阻阻值变大，采样电压过高，最终导致高压电源模块1 异常。3解决措施及试验验证3.1解决措施针对高压电源电阻硫化问题，采取以下措施：a)采用抗硫化电阻，提升电阻的抗硫化能力；b)改进三防工艺，提升高压电源环境防护能力：为进一步提升产品的环境适应能力，在原有产品的灌封工艺中增加DJB-823防护，将PFC板、DC板的防护工艺由硅胶灌封更改为先用DJB-823防护，再硅胶灌封，最后再次用DJB-823防护。3.2措施验证a)更换后电阻的抗硫化能力验证情况针对更换后电阻的抗硫化能力，开展1 0 0 0 小时的硫华试验，共试验样品2 0 只，试验结束后未发现有电阻硫化失效,证明电阻抗硫化效果有效。b)三防工艺改进验证情况参照标准GB/18179-2000金属覆盖层孔隙率试验潮湿硫（硫华）试验进行硫华试验，试验时间为1 2 0 h，其中前50 h试验温度为50，后7 0 h试验温度为1 0 5，通过高温、高湿硫蒸汽透过防护层对底层铜片的腐蚀程度，验证防护工艺的防硫效果。试验组分为三组，如表2 所示。表2硫华试验样品方案序号样品方案样品编号铜箔先喷涂DJB-823，硅胶厚层灌封，11最后在表面喷涂DJB-823铜箔采用PL4122-40E进行浸涂后，表22面喷涂DJB-823铜箔采用PL4122-40E进行浸涂后，表33面喷涂批覆胶试验结束后剥开样品板的涂覆层，观察样品板与胶层接触面，并对接触面的铜箔和涂覆层进行能63与车辆移动电源2023年第3期谱分析，能谱分析结果如表3所示。表3硫华试验样品方案硫元素单面硫元素总重测试序号样品编号重量比量比位置(Wt%)(Wt%)1涂覆层0.11接触面3.123的铜箔3涂覆层7.72接触面8.440.7的铜箔5涂覆层143接触面7.0560.1的铜箔1号样本为纠正措施拟采用的防护工艺。从试验结果看，该工艺防护下的接触面含硫总重量比仅为3.1%，为三种对比方案中最低。具有有效防护硫元素入侵的能力。4结束语高压电源输入CA线电压采样过压问题定位于：R26电阻树脂保护层致密性存在个体差异，腐蚀性介质通过端电极与树脂保护层的结合处侵入内部，腐蚀银层导致电阻硫化，引起输入CA线电压采样电阻阻值变大，采样电压过高，最终导致高压电源模块1 异常。通过选用抗硫化电阻及改进三防工艺可有效解决电阻硫化问题。后续电路设计中应注意环境对产品的影响，对于含硫环境应注意加强三防工艺的防护和抗硫化器件的选用。参考文献：1 王能极厚膜片式电阻器硫化机理及失效预防J.电子元件与材料，Vol.32No.2，2 0 1 3.2郑东辉，陈鸿武，方超导热垫加速电阻硫化的机理研究J.信息记录材料，Vol.22No.11，2 0 2 1.3张世莉，唐万军，肖玲片式电阻防硫化可靠性技术研究J.环境适应性和可靠性，2 0 2 1 年2 月.作者简介：万志华（1 9 9 2-），男，江西南昌人，工程师，硕士学位，主要研究方向为电力电子技术。Analysis on Input Line Voltage Sampling Abnormal Problem of HighVoltage SourceWAN Zhi-hua,LI Xin,GONG Jia-peng,ZHANG Chu-wei(Beijing Institude of Space Launch Technology,Beijing100076,China)Abstract:This paper analyzes the input line voltage sampling abnormal problem when the high voltage source isworking.Through the analysis of the fault phenomenon,listing the possible causes,confirm failure cause and the biology,giventreatment measures,launch test and verify.By following the operation and the achievement of technical requirements,theeffectiveness of the treatment measures was confirmed,the problem was solved and the fault phenomenon was no longer happened.Keywords:high voltage source,voltage sampling abnormal,fault-analysis,treatment measures