电源开关管的故障机理分析与维修实践

1 开关电源的工作原理

交流市电U经整流滤波获得的非稳定直流电压Ui= (1.2~1.4) U, 约为260V~300V, 分别通过启动电路、开关变压器初级绕组、开关管共同完成电源开关管的启动, 在正反馈闭环回路的强烈作用下, 电源开关管迅速进入饱和-截止的开关状态, 开关变压器的次级绕组因电磁感应输出的电压经过整流滤波由取样、比较放大、光耦、脉冲宽 (密) 度调制等电路构成的负反馈稳压控制电路的作用下, 通过改变电源开关管的占空比δ, 达到给负载输出稳定直流电压Uo的目的。

不管电源开关管与负载的连接方式是采用串联型或并联型还是变压器耦合并联型, 也不管稳压控制方式是采用调宽式还是调频式或者是两者的结合, 它们的工作原理和基本电路框架大同小异, 输出电压的高低都取决于稳压控制电路对开关管导通时间Ton长短或振荡频率f (1/Ton) 高低的控制, 即占空比δ=Ton/T, 但由于连接方式的不同, 电源开关管所承受的最大电压Ucemax和输出电压稍有差别, 其中:

串联型开关电源的开关管所承受的最大电压Ucemax=Ui+ε, Uo=δUi。

并联型开关电源的开关管所承受的最大电压Ucemax=Ui+Uo+ε, Uo=δUi/1-δ。

变压器耦合并联型开关电源的开关管所承受的最大电压Ucemax=Ui+nUo+ε, Uo=δUi/1-δ/n, 式中ε是开关变压器初级绕组产生的自感电动势, 其大小为L·△i/△t, n表示开关变压器初、次级匝数比。

从上述工作过程中可以看出, 开关管、控制回路和负载是开关稳压电源的三个关键部件, 而启动电路、正反馈闭环电路和稳压控制电路又是确保电源开关管正常工作的三个基本要素。因此开关电源的稳压输出与不仅与负载有关, 也与开关管的导通时间Ton (振荡频率f) 及开关速率有关, 最根本的还是取决于开关管的脉冲占空比及开关速率。

2 开关管损坏的机理分析

通过分析开关电源的工作原理可以得知电源开关管损坏的故障原因主要有:当叠加在开关管集-射极之间的最大电压Ucemax达到或超过开关管本身所能承受的最高反向击穿电压BVCEO (一般为450~650Vpp) 时会引起开关管过压击穿损坏;当流过开关管的集电极电流达到或超过开关管最大允许的极限电流时会出现过流开路损坏;当开关管的工作损耗超过其允许的最大功耗时会出现过耗损坏;开关管本身质量欠佳或管子的电参数不符合规定要求引起的自然损坏。

2.1 过压击穿损坏

(1) 市电输入电压过高, 整流滤波后的非稳定直流电压Ui和开关变压器初级绕组产生的自感电动势ε也会同步升高, 当Ui+ε≥BVCEO时, 开关管会被迅速击穿损坏。

(2) 若有雷电从电源线路引入时, 极高的浪涌尖脉冲会瞬间击穿开关管。

(3) 非稳定直流电压Ui的滤波电容容量下降或严重失效, 虽然Ui有所降低, 但由于其中含有大量的纹波电压成分, 通过启动电路和开关变压器初级绕组分别叠加在开关管的基极和集电极上, 使其基极电流和集电极的电压瞬间急剧升高, 从而击穿开关管, 这是电源开关管过压损坏的主要原因之一。

(4) 尖峰脉冲吸收回路损坏。由于开关管工作在开关状态, 当开关管从饱和状态转为截止状态时, 开关变压器会产生很高的反峰尖脉冲 (高次谐波) 叠加在开关管上, 若该电压达到或超过开关管所能承受的极限电压, 就会击穿开关管。

(5) 若稳压控制电路或正反馈电路元件失常或开关变压器初级绕组局部短路使得输出电压Uo异常升高, 开关变压器各绕组的互感电动势也随之升高, 当叠加的电压高于开关管的极限电压时, 开关管被击穿损坏, 这是电源开关管过压损坏的主要原因之二。

(6) 主负载电路开路。当开关变压器的初级绕组在次级主负载开路时所产生的过高反峰脉冲电压叠加在开关管的集-射极之间会击穿开关管, 因此在维修和调试过程中不允许断开主负载电路。

当然, 在开关管出现过压击穿损坏的同时也伴随有过流现象发生, 但由于开关变压器绕组对电流的阻碍作用, 过流现象往往被过压现象所掩盖。

2.2 过流开路损坏

(1) 负载严重漏电或短路。若行输出变压器、行输出管、S校正电容或逆程电容、行偏转线圈等负载电路出现短路或严重漏电, 输出电压Uo明显降低, 输出电流显著增大, 此时流过开关管的电流也随之增大。当流过开关管的电流达到或超过开关管允许的极限电流时, 开关管就会被过流烧断开路, 这是电源开关管过流损坏的主要原因之一。

(2) 稳压控制电路异常。稳压控制电路中的脉冲调制电路相当于一个可变电阻, 在取样和基准比较电路所产生的误差电压作用下, 用来对开关管进行分流, 以改变其导通时间Ton的长短或振荡频率f (1/Ton) 的高低, 实现输出电压稳定的目的。若稳压控制电路中的任何一个环节出现故障或工作异常, 就会使得流过开关管的电流超过其允许的最大值而损坏开关管, 这是电源开关管过流损坏的主要原因之二。

(3) 启动电路工作异常。开关管的几种启动方式中, 电阻分压式启动电路相当于给电源开关管设置了一个静态偏置工作点, 电路容易起振, 但当开关管由于某种原因而停振时, 仍有一定的正向偏置电流, 引起开关管穿透电流增大而损坏开关管;阻容式启动电路中对启动电容的要求比较严格, 容量大易在市电较低时启动良好。

2.3 过耗损坏

(1) 开关损耗过大。开关管的功耗主要有导通期间的损耗Pon、截止期间的损耗Poff和开关转换损耗Pt。其中Pon由开关管的饱和导通电流Ic、饱和压降Uces以及导通时间Ton决定, 其大小为IcUcesTon/T;Poff由集电极的截止反向漏电流Ico、集电极与发射极之间的管压降Uc以及截止时间Toff确定, 其大小为IcoUcToff/T;Pt主要取决于开关管的饱和导通电流Ic、饱和压降Uces、集电极与发射极之间的管压降Uc以及开关时间 (从截止到饱和的上升时间tr和从饱和到截止的下降时间tf) , 其大小为Ic (Uc+2Uces) (tr+tf) /6T。由于开关管在导通期间的饱和压降Uces和在截止期间的反向漏电流Ico≈0, 所以损耗很小。开关管在整个工作过程中, 主要表现为开关损耗, 而开关时间又是开关损耗的一个重要电参数, 因此在选用开关管时一方面要求tr和tf很小以减少开关损耗, 同时尽量选择饱和压降低和反向漏电流小的大功率管以降低其导通损耗Pon与截止损耗Poff, 否则当功耗达到开关管允许消耗的最大功率时, 开关管就会被过耗损坏, 这是电源开关管过耗损坏的主要原因之一。

(2) 散热不良。由于开关管具有一定的功耗, 在一定的外壳散热条件下, 开关管的温升主要取决于开关管的转换效率和散热表面积的大小, 其粗略的计算公式为:温升=热阻系数×功耗, 而热阻Rooa的大小由散热器的表面积决定, 与外壳到散热器的热阻Roos以及散热器到环境的热阻Rosa有关, 即Rooa=Roos+Rosa。若开关管的转换效率为η=Po/Pi, 则开关管的功耗为Po (1-η) /η。同时随着开关管温度的升高, 开关管的β值和耐压值都会下降, 转换效率降低, 反过来又加剧了开关管的功耗, 造成开关管的过耗损坏。

(3) 正反馈闭环电路工作异常。正常情况下, 正反馈闭环电路给开关管基极提供的脉冲幅度为2Vpp, 若正反馈回路中的电阻阻值变大、电容容量降低或反馈绕组性能不良, 造成反馈的脉冲幅度不足或波形发生畸变, 开关管不能有效准确的进行开关变换, 开关损耗明显增大, 从而引起开关管过耗损坏, 这是电源开关管过耗损坏的主要原因之二。

对于因开关管本身质量欠佳引起的损坏由于不属于本文讨论的范围, 故不作具体分析。

3 开关管损坏的故障特征

(1) 开关管过压损坏的故障特征:开关管在开机瞬间迅速被击穿损坏且无明显温升现象, 同时有其它元器件损坏, 保险管烧断变黑或供电限流电阻开路。

(2) 开关管过流损坏的故障特征:开关管在工作过程中开路损坏且有非常明显的温升, 输出电压降低并伴有其它元器件损坏, 保险管有时烧断变黑、有时完好。

(3) 开关管过耗损坏的故障特征:开关管在工作一段时间后出现击穿或开路性损坏, 管子外壳温升很快, 输出电压降低, 保险管有时烧断变黑、有时完好。

4 开关管损坏的维修技巧

维修实践证明:对于开关管损坏的故障, 一般可根据开关电源的工作原理以及开关管损坏的故障机理和故障特征, 运用电阻法、电压法、电流法、触摸法和示波法等常规维修方法并掌握开关电源的关键测试点参数即可排除。

在开关电源正常工作状态下开机时, 开关管集电极的直流电压约为2 6 0 V~300V。过高说明市电输入过高, 过低说明滤波电容性能不良或失效。关机时该电压一定存在放电过程, 若无放电现象, 则启动电路或开关管电路一定有元器件开路。放电结束后, 用万用表R×1K档测量集电极对地的正反向电阻, 正向电阻为1KΩ~3KΩ, 反向电阻要有充放电现象;若正反向电阻都很小, 则表明开关管一定击穿损坏;若正反向电阻值很大, 则表明启动电路或开关管电路中有开路性故障。

开关管的基极电流通常为1 m A~2mA, 集电极电流应为200mA~350mA左右, 若两者的电流都过大且开关管温升很快, 说明开关管一定存在过流或过耗现象。此时可断开行输出管的基极, 检测负载对地的正反向电阻和输出电压的高低, 如负载对地的正反向电阻正常, 而输出电压降低, 则是开关管过耗, 应重点检查开关管、软启动电路、正反馈电路和稳压控制电路;若输出电压略有升高, 说明是由于负载漏电或短路引起的过流。同理若开关管的基极和集电极电流都过小、输出电压降低且温升高, 则说明开关管过耗, 通常是由于稳压控制电路的分流作用太大引起的。

开关管的发射结电压应为≤|0.3|V左右, 若为0V, 说明开关管发射结击穿或启动电路开路;若为0.6V, 则说明正反馈闭环电路开路或稳压控制电路工作不正常。

用示波器观察开关管基极和集电极的电压波形分别为2Vpp~3Vpp、450Vpp~650Vpp的矩形方波, 过大则会导致开关管过压击穿, 过小容易引起开关管过耗, 若为0, 则表明开关管停振。

如果开关电源各关键测试点的参数基本正常, 但管子的温升比较高, 则是因为散热不良引起的过耗现象, 可通过增大散热面积并在接触面涂上硅胶以提高导热率、减少热阻, 避免开关管过耗损坏。

摘要：通过分析开关电源的工作原理, 阐述了电源开关管过压损坏、过流损坏和过耗损坏的故障机理以及故障特征, 并从大量维修实际的角度, 给出了维修电源开关管的方法和技巧, 对于维修各类开关电源具有借鉴意义。

关键词：开关电源,故障机理,维修技巧