摘要：针对某型雷达伺服系统功率电路出现功率器件损毁的情况，分析其故障机理，查明引起功率器件损毁的根本原因是：低压小功率伺服系统中无漏电保护装置，常用的保护机制对漏电情况不起保护作用，过大的漏电流引起了功率器件的损毁。在此基础上，对伺服系统功率电路进行了改进设计，避免类似情况发生。
关键词：功率器件；漏电流；保护
一、故障现象与初步分析
某型雷达整机在使用过程中，伺服系统出现扫描功能丧失、系统不受控等异常情况。将伺服系统从该型雷达整机中拆下，对构成伺服系统的两大部件——转台和控制组合分别进行检查。检查结果表明：转台机械结构正常，安装在转台中的角位置传感器、角速度传感器和电机均工作正常，但控制组合已不能驱动电机正常工作。
二、故障原因检查与分析
控制组合由控制编码电路、驱动电路和功率电路构成。其构成框图如图1所示。对控制组合进一步检测发现：控制编码电路和驱动电路的输入和输出功能均正常。由此断定伺服系统的故障由功率电路引起。
图2中电阻R1为0.1欧姆无感采样电阻,用于采集直流母线电流信号。电阻R5和电容C5构成RC滤波电路，对采集的母线电流信号进行滤波并传送信号至后端比较电路；一旦母线电流采样信号超过设定的电流门限，比较电路即动作，并触发保护逻辑电路关断图2中的功率管V1、V2、V5和V6，从而达到保护功率电路的作用。
对功率电路进一步检查发现，因线路连接不当，导致电机M1的正端与整机的机壳短路，同时，机壳与图2中的电源负端“28V-”也短路，即如图3所示。
从图3可以看出，电源负端、机壳与电机正端短路。当功率电路不工作时，功率管V1、V2、V5和V6被关断，采样电阻R1上没有电流流过。当功率电路工作时，功率管V1开通，28V电源通过V1管短路，电流方向如图4中箭头所示。从图4可见，当功率管V1开通时，尽管功率电路短路，功率管V1流过很大电流，由于大电流未能流过采样电阻R1，因此，比较电路不能动作，保护逻辑电路未能及时关断功率管，保护功能失效。
由此可见，电机引线端与机壳短路，机壳又与电源负端短路，短路电流未从采样电阻流过，而是经机壳形成回路，出现了机壳漏电现象。由于低压小功率伺服系统工作电压（28V）在人体安全电压（36V）以下，没有安装或设计类似高压伺服系统常见的漏电保护装置，而常用的保护电路对漏电不起保护作用，伺服系统在漏电情况下长时间、大电流工作，致使功率管发热并最终导致器件烧毁。
三、系统设计改进
根据上述分析可知，系统故障的最终原因是没有安装漏电保护装置，因而安装或设计漏电保护装置是解决问题的关键。由于低压小功率伺服系统对体积、重量等指标的严苛要求，高压伺服系统常见的漏电保护装置并不适用于低压小功率伺服系统。因此，需要针对低压小功率伺服系统的特点，设计适合的漏电保护电路。
图5所示为基于霍尔电流传感器的改进电路原理图，图中增加了霍尔电流传感器。该传感器基于霍尔效应原理，能够检测出直流母线的电流，其输出信号与直流母线相互隔离。利用霍尔电流传感器输出的母线电流采样信号，对功率电路进行保护，实现了功率电路过流保护和漏电保护两种功能。
图6所示为基于高共模抑制比运放AD629的改进电路原理图，与图2相比，图6中的采样电阻R1位于直流电源正端，采样电阻R1产生的差分信号输出至高共模抑制比运放AD629，AD629将输入的差分信号转换成单端信号，放大倍数为1，该信号经R2和C5组成的RC滤波电路后成为母线电流采样信号，该信号供后端比较电路和保护逻辑电路使用，对功率电路进行保护，同样实现了功率电路过流保护和漏电保护两种功能。
根据图5和图6不难看出，这两种改进电路的关键在于母线电流采样位置的选取。图2中的采样电阻R1位于直流母线负端和H桥下桥臂之间，功率电路的电流必须流经上桥臂和电机后才能流过采样电阻，一旦上桥臂或电机处发生故障，处于该位置的采样电阻不能检测到功率电路的电流，因而就不能很好地起到漏电保护作用。与图2不同，图5和图6中的采样电阻位于直流母线正端和H桥上桥臂之间，无论是上桥臂或电机发生故障，母线电流的异常都会在采样电阻或霍尔电流传感器上得到体现，处于该位置的采样电阻或霍尔电流传感器就能及时反映母线电流的变化，后端的比较电路和保护逻辑电路也就能及时动作，起到保护作用。
四、总结
根据对某型雷达伺服系统出现功率器件损毁现象进行分析，查明了故障原因是因为常规的保护电路不能起到漏电保护作用。在此基础上，对常规的保护电路进行了改进，使其兼具过流保护和漏电保护的功能，为伺服系统提供了更完善的保护功能。
论文作者:张翔,张守银
论文发表刊物:《电力设备》2018年第14期
论文发表时间:2018/9/18
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