开关电源变压器解析,如何判断开关电源变压器的好坏

来源:网络整理 作者:2017年05月19日 15:03
[导读] 开关电源变压器是加入了开关管的电源变压器,在电路中除了普通变压器的电压变换功能,还兼具绝缘隔离与功率传送功能一般用在开关电源等涉及高频电路的场合。

  开关电源变压器是加入了开关管的电源变压器,在电路中除了普通变压器的电压变换功能,还兼具绝缘隔离与功率传送功能一般用在开关电源等涉及高频电路的场合。

  开关电源变压器解析,如何判断开关电源变压器的好坏

  开关电源变压器和开关管一起构成一个自激(或他激)式的间歇 振荡器,从而把输入直流电压调制成一个高频脉冲电压。起到能量传递和转换作用。在反激式电路中, 当开关管导通时,变压器把电能转换成磁场能储存起来,当开关管截止时则释放出来。 在正激式电路中,当开关管导通时,输入电压直接向负载供给并把能量储存在储能电感中。当开关管截止时,再由储能电感进行续 流向负载传递。把输入的直流电压转换成所需的各种低压。

  开关电源变压器的基本组成:

  开关电源变压器的主要材料:磁性材料,导线材料和绝缘材料是开关变压器的核心。

  磁性材料:开关变压器使用的磁性材料为软磁铁氧体,按其成分和应用频率可分为MnZn系和NiZn系两大类。前者具有高的导磁率和高的饱和磁感应,在中频和低频范围具有较低损耗。磁芯的形状很多,如EI型,E型,EC型等

  导线材料—漆包线:一般用于绕制小型电子变压器的漆包线有高强度聚酯漆包线(QZ)和聚氨酯漆包线(QA)两种。根据漆层厚度分为1型(薄漆型)和2型(厚漆型)两种。前者的绝缘涂层为聚酯漆,具有优越的耐热性,绝缘性抗电强度可达60kv/mm;后者绝缘层为聚氨酯漆,具有自粘性强,有自焊性能(380℃),可不用去漆膜就可直接焊接

  压敏胶带:绝缘胶带抗电强度高,使用方便机械性能好,被广泛应用在开关变压器线圈的层间,组间绝缘和外包绝缘。必须达到下列要求:粘性好,抗剥离,具有一定的拉伸强度,绝缘性能好,耐压性能好,阻燃和耐高温

  骨架材料:开关变压器骨架与一般的变压器骨架不同,除了作为线圈的绝缘与支撑材料外,还承担了整个变压器的安装固定和定位的作用,因此制作骨架的材料除了满足绝缘要求外,还应有相当的抗拉强度,同时为了承受引脚的耐焊接热,要求骨架材料的热变形温度高于200℃,材料必须达到阻燃,且还应加工性好,易于加工成各种形状。

  开关电源变压器解析,如何判断开关电源变压器的好坏

  开关电源变压器的分类及其参数:

  开关电源变压器分单激式开关电源变压器和双激式开关电源变压器,两种开关电源变压器的工作原理和结构并不是一样的。单激式开关电源变压器的输入电压是单极性脉冲,而其还分正反激电压输出;而双激式开关电源变压器的输入电压是双极性脉冲,一般是双极性脉冲电压输出。

  特性参数:

  电压比:指变压器的初级电压与次级电压的比值。

  直流电阻:即铜阻。

  效率:即输出功率/输入功率*100[%]

  绝缘电阻:变压器各绕组之间及对铁心之间的绝缘能力。

  抗电强度:变压器在1秒或1分钟之内能承受规定电压的程度。

  开关电源变压器好坏的判断:

  修理开关电源电路的间歇振荡故障,代换完除开关变压器以外的所有怀疑元件后,往往对开关变压器的好坏仍不能得出较为确切的结论,在尚怀疑惑的情况下,不得不放弃维修。如果此际将检修再深入一步,能确诊开关变压器的好坏,即能避免功亏一篑,使修复圆满。

  说到验证开关变压器的好坏,什么感应法啊,振铃法/波形法等等啊,总是有局限的法子,依赖对比数据,依赖检测者的经验。如果有简短直捷的法子,检测结果又是明明白白的,就好了啊。比如为开关电源送入一个相对安全的低压,使电路处于非稳压开环状态,对负载电路也不会形成什么危害,可以放心大胆地为开关电源加电,就好了啊。那么为电路加多少伏直流电压算是安全电压呢?

  恰巧,正好手头有一款开关变压器的绕组数据,DC500V绕组与5V绕组的匝数比约为20:1,5V绕组为5匝,500V绕组为100匝。振荡芯片采用3844,输出脉冲最大占空比为50%。由可以进行粗略估算,当电路开环工作时,开关管最大占空比输出时,500V绕组允许最高电压输入值为200V。由此可知,此开关电源当输入电压不高于DC200V时,能保证二次负载电压不会高于额定值。

  可见,对于该电路,只要在原电源的DC530V电源输入端输入低于200V的直流供电;为3844直接提供高于16V(起振电压)如18V的供电,不需改变原电压构成,即可直接验证开关电源电路中开关变压器及其它元件的好坏了。在开环工作状态下,开关变压器各绕组输出的电压,应该和其匝数比成正比/线性关系,若满足此条件,说明开关变压器是好的,若二次绕组输出电压显著低于此值,说明开关变压器不良。

  但这不是通例!近修一台施耐德ATV31型45kW变频器的开关电源,开环状态下,输入电源电压达DC50V以上后,各路输出电压即已达到额定值附近!

  可见,每台变频器的开关变压器因设计一次侧匝数的不确定和不统一,不可贸然送入较高的供电电压,手头最好有无级或变挡可调的DC0~200V(100V)电源,先从低电压送起,同时监测输出电压, 使之低于额定输出电压便于工作于监测为宜。而这种检修过程,往往带给人惊喜:在验证开关变压器好坏的同时,故障元件也同步现出原形了。

  开关电源变压器解析,如何判断开关电源变压器的好坏

  先看图,上图为并联在开关变压器一次绕组N1两端的电压吸收网络。(a)、(b)、(c)分别为常见的三路电路模式(如复合式等,都是我暂时起的名,也许不够确切),其目的是提供开关管的反向电流通路,抑制开关管截止期间漏/源(或集电极/发射极)极间反向电压的幅值,保护开关管的安全及避免磁势积累。 当(a)电路中的C29漏电;(b)电路中的Z1~Z3击穿或漏电;(c)C电路中的Z101击穿或漏电时,导致开关变压器过载,其二次绕组感生电压降低。此时,对开关管Q1/T103来说,虽然不会导致其过载(正处于截止期间),但因二次绕组的感生电压降低(参见图2电路),当N2绕组感生电压偏低(如低于10V/PC1的欠电压动作阀值)时,引起内部振荡电路停止工作,出现间歇振荡的故障(表现为打融)现象。注意,此电压间歇振荡现象是由PC1的欠电压动作所引起,而非常规的由二次负载电路过载所引起的过载保护,此时检查负载电路,当然不会存在过载故障。

  开关电源变压器解析,如何判断开关电源变压器的好坏

  我们再来细看一下,当图1中(a)电路的C29虽然已经漏电损坏,但其漏电电阻达数千欧姆时;当图1中(b)电路的Z1~Z3击穿或漏电,但其击穿电压达数伏以上(超出数字万用表二极管挡的量程,或击穿电压达9V以上,超出指针万用表内部电池的电压值)或其漏电电阻也为数千欧姆时;图1中(c)电路的双向击穿二极管Z101击穿或漏电时,无论是指针式万用表或数字式万用表,即使我们耐心细致地测量了多次,也可能无法得出C29、Z1、Z101已坏的准确结论!

  方便起见,以图2中N1两端并联的电路为例,当C4的漏电电阻达数千欧姆时,如果用数字式万用表的二极管挡来测量(将表笔搭于C4两端)正、反向测量两次的话,显然,其中一次测量结果是D2的正向导通压降,一次测量显示为无穷大“1”,无法得出C4已经漏电的准确测量结果;如果用指针式万用表的电阻挡不测量的话,所测得数值为C4漏电阻和R8和相关联并联外电路的总并联电阻值,因此数值较大,也不容易使人判断C4已经漏电损坏。

  像图1的(b)电路,当Z1虽然已经损坏,但其击穿值远远高于万用表内电池电压时,所测也仅为二极管的正向电阻值(或正向导通压降),其反向电阻值也是极大的;图1的(c)电路,如果其故障击穿值远高于万用表内部电阻电压时,则其正、反向导通压降或正、反向电阻值都是极大的,根本无法判断其已经坏掉!

  应该知道,电容漏电或二极管的击穿状态,只有当加于元件两端的电压高于一定阀值时,元件的故障状态才会有所表现。万用表在低电压条件下的测试,故障元件有时却会“表现正常”。这也是电工师傅在测试电缆或绕组之间的绝缘时,为何要丢开万用表换用绝缘摇表的缘故。

  综上所述,当图中的C29、Z1、Z101等元件损坏后,事实上我们对该元件测量了多遍, 仍为测量结果所蒙蔽时,而对其它元件的测量判断也非常显明(没有问题)时,这时脑海中也会就会冒出一个故障判断,也许是开关变压器坏掉(内部匝间短路)了吧?有的维修者可能会采取进一步的措施,如用振荡小板代替除3844及全部外围电路(N1绕组两端并联的电压吸收回路却没有动它),代用后结果仍然是故障依旧,如此似乎更证实了开关变压器的故障嫌疑。如果手头同型号的开关变压器可以代换试验的话,则应该轻易修复的故障机器,也许从此就会沉睡在某一角落里了。

  可以想见,开关变压器坏掉的机率是极低的,对于间歇振荡所表现出来的“疑难故障”,所以会误判为开关变压器损坏,是说明我们的故障检测方法上,还是有局限之处。

  下面看两例故障检测实例:

  1、开关电源上电后出现打嗝声,测各路输出直流电压均极低,且不稳定。先从负载电路查起, 无损坏元件。后来重点检测N1绕组所并联的电压吸收网络,感觉未有异常。拿来振荡小板,将振荡芯片及外围电路全部代替,上电后故障依旧。说明、振荡、稳压环节皆无问题,重查负载电路也无异常。检修陷入困境。

  想到是否开关变压器坏掉?得首先排除这个可能性。

  直接向3844的7、5脚接入DC18V,在开关电源的DC530V电源输入端,接入DC100V,上电后,电路起振工作,一会儿,图(c)电路中的Z101开始冒烟。观察此电路为复合式电压吸收电路,Z101两端尚并联有阻容吸收电路,临时摘掉Z101后,测各路直流输出电压,其高低与输入电压皆成比例(此时开关变压器的好坏已不言自明)。

  至此,故障原因真相大白,用3只100V稳压管串联代替Z101,上电试机,开关电源工作恢复正常。

  2、故障现象同上,检查方法同上,通电后,Z1、Z2过热冒烟,此时开关变压器的好坏已不言自明,间歇振荡故障的“元凶”也已经藏身不住了。用两只120V稳压管代替Z1、Z2,上电后开关电源工作恢复正常。

  最后再交代一下吧。那么为何用原供电DC530V,电路处于间歇振荡,而为电路分别接入DC18V和DC100V,即能很快使故障元件无处藏身呢?请参见图2电路。

  1、PC1振荡芯片的供电取自N2绕组,当C4严重漏电时,开关变压器储能不足,N2感生电压降低,PC1内部欠电压检测电路动作,电路处于间歇振荡状态。

  独立为PC1送入DC18V供电后,PC2则能一直稳定工作,进而使故障元件暴露出来。

  2、在开关电源的DC530V供电端子送入DC100V,这是一个保险电压,可以在因故障而稳压失控的情况下,使各路直流输出电压不致超过额定值而损坏负载电路,此供电电压下,可以放心地检测电路各部分的工作状态,从而使故障根源暴露出来。如果手头有0~200V可调直流电源当然更好,在监测输出电压的同时,缓慢调高输入电源电压,还可进一步检测电路由开环进入稳压控制的过程,验证电路的稳压环节是否正常。

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