Анатомія імпульсного блоку живлення SITOP power 20 від фірми SIEMENS. Топологія перетворювача.

Наши партнеры ArtmMisto

Нещодавно переді мною поставили завдання ремонту обладнання фірми Siemens. А саме блоків живлення, контролерів, дискретних, а так же аналогових модулів розширення, частотних перетворювачів і інших цікавих приладів чимало відомих фірм. Так як це спеціалізоване і досить дороге обладнання, його досить непросто купити і за цим хотілося б продовжити приладів життя. Але так само, саме з цієї причини, ви ніде не знайдете принципових схем і детального опису роботи обладнання, якщо тільки хтось не поділиться своїм досвідом реверс-інженірінга.

Я довго думав чим поділиться, з чого почати. А почнемо ми мабуть з самого головного, на мій погляд, елемента - блоку живлення. Всі подібне обладнання, в першу чергу, вимагає стабілізованого, досить потужного джерела живлення, тому як без напруги 24В, вам мало, що вдасться зробити з усім цим залізом.

Вот такой вот пацієнт потрапив до мене на стіл. Як відомо вся електроніка працює на «чарівному диму», а з цього пристрою він вийшов під час чергового включення і виключення живлення, завдяки чому висновок напрошувався тільки один - ВІДКРИТТЯ.

При першому розгляді розкритого блоку живлення не видно жодних явних пошкоджень, обвуглених деталий і т.п. Його включення в розібраному вигляді теж нічого не показало - іскріння, вибухів транзисторів і виділення диму не було. Прилад просто не запускається. Тому доведеться розбиратися повністю як він влаштований і шукати косяки.

Мабуть, перш за все, варто почати з топології імпульсного перетворювача. Виконаний він за схемою «косого напівмоста» або, як написано в книгах, за схемою однотактного прямоходового перетворювача.

У цій схемі енергія викидів напруги рекупіріруется назад в первинне джерело за допомогою діодів D1-D2, D3-D4. Це дозволяє зберегти високий ККД. Але найголовніше - ця схема дозволяє отримати найнижче напрженіе на стоці транзисторів VT1-VT2. Воно не перевищує напруги живлення Uвх. Звичайно ви розумієте, що силові транзистори відкриваються і закриваються одночасно. Схема «косого моста» широко застосовується в однотактний перетворювачах, призначених для роботи з підвищеним вхідним напругою живлення. У нашому випадку це трифазне харчування 380 В. Ця схема дозволяє використовувати відносно дешеві силові транзистори з невисоким пробивним напругою. У цьому випадку один з її недоліків - послідовно включені на шляху робочого струму обмотки трансформатора і двох транзисторів - згладжується тим, що низьковольтні транзистори мають знижений опір відкритого каналу, в слідстві чого великі втрати потужності не відбувається.

Звичайна на перший погляд схема «косого напівмоста», але перше що мені впало в очі - це два послідовно з'єднаних супрессора 1.5КЕ400 і 1.5КЕ350 замість одного високовольтного діода.

Супресор - це напівпровідниковий прилад призначений для захисту ланцюгів обладнання від імпульсів перенапруги. Тобто, його робота схожа на роботу звичайного стабілітрона, з тією відмінністю, що супресори набагато бистродействіней, розраховані на великі струми і напруги, а так само короткочасну роботу. Якщо ж включити супресор в прямому режимі, то він працює як звичайний діод, тільки ультрашвидкий.

Думаю таким чином розробники хотіли вбити відразу двох зайців. Тому як супресори - по-перше. набагато дешевше ультрашвидких діодів або діодів Шотки, а по-друге мають більшу швидкодію.
Таким чином два послідовно включених супрессора D1-D2 і D3-D4 виконують роль діодів через який первинна обмотка трансформатора розряджається на джерело живлення (конденсатор С1) в момент коли транзистори VT1 ​​і VT2 закриті. Нижче на фотографії видно як вони встановлені на друковану плату.

Чому саме два?

Тому як в момент, коли транзистори VT1 ​​- VT2 відкриті, до супрессорам прікладиваетс напруга, близьке до напруги харчування. Так як падіння на транзисторах у відкритому стані дуже мало. Саме з цього напруга пробою супресорів має бути вище напруги живлення.

Так як, даний блок живлення підключається до трифазної мережі, то після випрямляча, на виводах конденсатора С1, ми маємо близько 550-600 вольт постійного напруження - це мінімальна напруга на яке повинні бути розраховані супресори. Максимальним же допуску як такого не буде. Думаю все що рухало розробниками - це ціна і наявність компонентів. Так наприклад напрженіе пробою у 1.5КЕ400 становить 342 вольта, а у 1.5КЕ350 - 300 вольт, в результаті сумарне напрузі пробою 642 вольта. Відповідно, чим нижче зворотна напруга тим супресор дешевше.

Але ось тільки в кожній бочці меду є ложка дьогтю. Погортавши підручники і даташит, я знайшов деякі цікаві нюанси. При послідовному з'єднанні супресорів разом з напругою пробою збільшується максимально допустима розсіює потужність, в разі їх роботи в зворотному режимі. Але тоді, при послідовному з'єднанні рекомендують, щоб різниця по напрузі пробою не складає більше 5%, а при паралельному з'єднанні і того менше - всього 20мВ. Це гарантує рівну завантаженість приладів по потужності.
Не будемо відкидати можливість роботи даної пари обмежувальних діодів в зворотному режимі, завдяки чому, вибір супресорів з різницею по напрузі більш 10% вважаю не зовсім вдалим. І якщо вже так важливо отримати напруга близьке до значення 642 вольта, то в такому випадку краще скористатися трьома 1.5КЕ250, з напругою пробою 214 вольт. У результаті сумарне напрузі пробою складе ті ж самі 642 вольта, але при цьому розкид параметрів буде мінімальним (не більше 20мВ). Та й розсіює потужність виростить втричі. Так само можна вчинити набагато простіше і поставити пару супресорів 1.5КЕ400, напруга пробою в такому випадку буде порядку 684 вольт.

Чому не два 1.5КЕ350?

Тому як в момент відкриття, силових транзисторів, їх перехідний опір буде близьким до нуля, в результаті катоди діодів D1 і D3 будуть підключені до «плюса» харчування, а аноди діодів D2 і D4 до «мінуса». В такому випадку до них буде докладено напруга Uвх, близьке до 600 вольт. Відбудеться лавинний пробій супресорів і вони почнуть працювати в зворотному режимі, в такому випадку весь струм потече через них і послідовно включений з ними транзистор, а далі через шунт. Якщо зворотний зв'язок по току встигне спрацювати, то ШІМ контролер припинить свою роботу, транзистори закриються і робота відновиться після того як зменшиться протікає через шунт струм.

Це поки все мої міркування, що стосуються роботи супресорів в зворотному режимі.

Тепер перейдемо до їх основної ролі в даному джерелі живлення - це рекуперация викидів напруги трансформатора на джерело живлення. У момент закриття силових ключів VT1-VT2, електричний струм починає спадати, виникає зменшення магнітного потоку, і в котушці знову з'являється ЕРС самоіндукції, тільки вже зворотної полярності. З цього ток потече через супресори D1-D2, D3-D4, які в такому випадку включені як звичайні діоди. Думаю, при виборі супресорів в якості діодів для цієї мети, розробники керувалися тим, що вони мають набагато більшу швидкодію ніж, навіть, ультрашвидкі діоди, близько однієї наносекунди. Але і тут я напевно розкритикує дане рішення. Пряме падіння напрженіея супресорів 1.5КЕ400 і 1.5КЕ350 становить 5 вольт, в той час як до тих же ультрашвидких діодів або діодів Шотки воно складає близько 1 - 2 вольт, а у деяких зразків і то менше.

До чого я веду?

А до того що вже при протіканні 1 ампера струму, на такому супресору, в прямому включенні, буде розсіюватися P = IхU = 1х5 = 5 ват потужності. Зворотній зв'язок по току, нашого блоку живлення, влаштована таким чином, що при максимальному навантаженні, струм первинної обмотки буде складати близько 10 ампер (ці нюанси я обов'язково розберу в наступних статтях). Тобто після закриття силових ключів, початкове значення струму що протікає через D1-D2 і D3-D4, може скласти близько 10 А. Виходить, що в імпульсі на кожному з супресорів може розсіюватися близько 50 Ватт потужності, і такі імпульси будуть слідувати з частотою 50 -60 кГц. А в разі різкого збільшення навантаження на виході блоку живлення, в обмотці трансформатора можуть виникнути реактивні викиди, за рахунок чого струм рекуперації може бути ще вище.

На малюнку нижче, для більшої наочності, наведені часові діаграми магнітної індукції, напруги і струму в обмотці.

Червоним кольором виділена ділянка рекуперації енергії накопиченої в обмотці трансформатора, через діоди D1-D2 і D3-D4.

І тут теж розкид параметрів діодів буде грати важливу роль. Так, що бажано встановити діоди одного номіналу, і якщо це можливо купити за нормальною ціною у відомого, зарекомендував себе виробника. Або ж можна замінити їх на високовольтні діоди Шотки або ультрашвидкі випрямні діоди, на напругу близьке до 1000 вольт.

А тепер Випаюємо і дзвонимо мультиметром обидва супрессора. До речі звонится супресор як звичайний діод.

З великою ймовірністю мультиметр покаже, що 1.5КЕ350 скоріше мертвий ніж живий.

У робочого супрессора 1.5КЕ350 або 1.5КЕ400 на екранчику вашого мультиметра має бути приблизно число 400 - 600. Все буде залежати від приладу. В даному випадку один з супресорів є «обрив», відповідно обмотка трансформатора не зможе розряджатися в той час як закриті транзистори VT1-VT2, на вторинній обмотці не створюватиме необхідного напруги для харчування ШІМ контролера і блок живлення не буде запускатися.

Так само можлива ситуація коли супресор буде звониться накоротко.

В такому випадку в схемі залишається тільки один супресор на 400 вольт, а при напрузі в 500-600 вольт постійного струму він завжди буде працювати в зворотному режимі. І як вже було описано, весь струм потече через супресор і послідовно включений з ними транзистор, а далі через шунт. В такому випадку блок живлення теж не буде запускатися, мало того. через велику струму що протікає через транзистор, той може вилетіти. Так, що Випаюємо і перевіряємо також транзистори.

Перевірити польові транзистори досить просто якщо у вас є регульований блок живлення. Але для початку перевірте його мультиметром, що не звонятся чи накоротко втік-витік, затвор-витік, затвор-стік. Есле ж немає, то на малюнку нижче наведена схема простого способу перевірки. Якщо включити польовий транзистор (або IGBT) згідно зі схемою наведеної вище, то при замиканні ключа S1, лампочка включена послідовно з транзистором буде загорятися, при розмиканні - гаснути.

Якщо видимих ​​пошкоджень і згорілих деталей виявлено не було, то заміна розглянутих вище компонентів, з великою ймовірністю може вирішити питання несправності блоку живлення. Якщо ж ні, то подальші нюанси, особливості поломок і їх причини, я постараюся розповісти в наступних статтях.