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          一位工科女生做電源項目的經歷

          2019-07-26 10:09 來源:互聯網 編輯:Angelina

          一鼓作氣把自己零散記錄的工作筆記作了整理,還是沒有恒心,工作筆記也是做得斷斷續續的,其間遇到的很多問題都已經不大記得怎么解決的。

          介紹一下自己,985學校碩士畢業的工科女生,在學校學的弱電,卻在一個涉及電力電子的單位工作,工作兩年半,一直是圍繞一個項目打轉,在公司的第一年就是做些線路板方面的測試等,相當于一個熟悉的過程吧,第二年開始接手一個10kW Boost的項目,說接手是因為這個項目交給我的時候其實是有一個實體的,就是說拓撲、器件、甚至控制方法都是已有的,但是就是除了原理圖外沒有任何技術文檔,而我那個時候對開關電源是沒有絲毫概念的,公司也沒有人能夠具體的指導我,領導們都是從意識層面進行指導的。這個項目從沒有任何概念到摸索搞明白然后完成型式測試大概用了半年接近一年的樣子,當然因為型式測試有些項目時間是很長的,今年下半年一直在處理產品從研發階段到生產階段中遇到的各種奇葩問題,也是因為今年沒有什么新項目。說到這個其實也很心酸的,電力電子產品基本都是體積超大、重量超重的那種,而我們是小公司,即使是電力電子研發工程師也是要求搬運、拆卸啥的都得能干,我體重才不到一百斤,即使想做也是不可能做的,而我的直接領導也很頭疼這件事兒,究竟安排什么樣的項目給我才合適,這個10kW boost在我們公司算是小功率產品,體積重量也都還好,而正好今年推的大產品要用到這個boost,才作為一個項目給我做,所以說作為一個工科女生,在一個電力電子方向的小公司做硬件研發工程師,我其實非常擔憂自己的前途,由于管理上的混亂以及培訓制度的不健全,我做開關電源的成長之路也異常緩慢,當然這也跟個人性格有莫大的關聯,我做事異常認真謹慎但并不特別刻苦,因為覺得不好好享受生活的話總有一天回首會發現時間都去哪兒了呢。

          再簡單介紹一下這個10kW Boost,就是教科書上最簡單的那種升壓拓撲,不過是用的三組并聯器件來增大功率,不是板級電源。

          組裝原版boost,準備測其電氣性能,理解一下其究竟是怎樣工作的。(此時,我也看了開關電源的入門介紹,但是所有開關電源的介紹都是對穩態工作情況的介紹,還是很難形象地理解boost究竟是怎樣工作的,比如我其實首先關心的是它是怎樣啟動的,而不是它的穩態波形是怎樣的)

          查看同事以前測的波形,始終參不透電感電流的奧秘,觀其平均值確是三組電感的總電流。不過觀其最大值與最小值之差(紋波電流)對應的電感L值又與實際的L值無法對應,所以無從得知到底測的是哪個電流,故需親自測過。

          以前也曾把boost的電源板和控制板拆下來過,現在裝回去時發現不知如何裝了,h總批評我怎么沒拍張照片,這確實是個不該犯的錯,錯在自負,自覺只拆下兩塊板子,沒什么復雜的,一定能裝上去。造成現在組裝的麻煩,萬事都需慎重。測試boost需供電系統、負載。

          供電方案:1. 蓄電池;2. 超級電容充放電控制箱

          目前問題:

          1. 采用蓄電池,需在蓄電池與boost間接一開關控制,否則在蓄電池帶電狀態直接連接有一定的不安全性。連接完成->系統上電工作,這樣的順序才是安全合理的,但是卻找不到能承受如此大電流的開關,選用不合標準的開關只能做輕載實驗。

          2. 超級電容充放電控制箱是以前用于boost測試的,本來用它為boost供電是最合適的,但是現在由于時隔多月,該控制箱已經被拆得面目全非,復原應該沒什么問題,只是其內的觸摸屏和PLC是需要程序的,而編制人員已不在本公司,公司又沒有做好相關的存檔,搞得很麻煩。所以,不管是成功投入市場還是中途終止,失敗的項目都應該做好存檔。以防以后重新要用到的時候無法尋找。

          最近有些懈怠,做事遇到點問題就打不起精神,因為找不到方向,或者意義吧,有些茫然。突然想通了,總不能因為現存的一些問題搭上自己的人生吧,人生是自己的,而現狀無法改變,我想我只能改變自己的方法去做自己要做的,而不是糾結于為什么這樣為什么那樣。看了一篇文章,模擬電路設計的九個級別,發現自己才處于三段,雖然我不做模擬電路設計,但級別應該類似,沒有成功的設計經驗,對仿真器也是只會用而不熟練,前路漫漫。

          觸摸屏的程序要過來了,下載成功,西門子PLC S7-200程序還在里面無需重新下載,實驗箱也安裝好,找了個電容管理板跟新做的一批略有不同,即PT100測溫輸入功能基本無效,這個是測環境溫度的,做boost實驗時應該也不是很必要。

          實驗完成后,應做個文件歸檔和軟硬件說明文件、操作方法。

          明天準備充電、實驗,測boost的波形,希望一切順利!

          做了空載和120Ω負載波形,不過看波形有點怪,空載運行時三個電感電流有負值,理論上應該是零,不知是探頭操作問題,還是系統的動態特性如此,而120Ω負載時,電流有包絡譜振蕩,boost噪音很大。母線電壓、IGBT的CE電壓也有大尖峰值,why? 明天換幾個測點測試看看。

          用錄波儀代替示波器測試:空載、100Ω、45Ω負載,噪音很大,尖峰值也很大(帶負載時),空載時,無尖峰電壓,不過電流仍然不知為何是負值,換了一個羅氏線圈測電流,現象依舊,理論boost的電感是不可能流過負的電流值的,why?

          關于測出的電感電流為負值的原因:不能用羅氏線圈測這種長時間的DC電流,羅氏線圈會飽和,由于羅氏線圈采用Current Transform技術,只能測短時電流,尤其在測試脈沖電流時比較有優勢,比如用于IGBT的雙脈沖測試指定使用羅氏線圈,正是因為羅氏線圈高頻響應做得比較好,而直流電流應選擇基于霍爾原理的電流探頭進行測試。

          測了幾組波形,包括30Ω負載,輸出電壓都不夠理想,出現在開關器件開通關斷瞬間的高頻尖峰值都很大,偏離直流值約200V左右。

          測了幾次,控制板開始報故障,把控制板拆下來測試沒有問題,發現是為控制板供電的電源板出問題了,電源板是基于反激拓撲的開關電源,輸出的+15V、-9V呈現規律性波動,如同打嗝一樣,拆下來測了兩天,測了每個關鍵點的波形,應該就是論壇上所討論過的打嗝保護,可是就是一頭霧水,不知原因何在,應該說電路是成熟的,做了那么多實驗了,所以應該是有元器件損壞才造成這樣的打嗝保護,繼續找!

          PS:后來測試過程中把MOS開關管和電流采樣電阻都弄壞了,都換掉了并且換了UC2842芯片,板子正常工作了,但是至今也不知是什么原因造成的。發現開關電源的調試中經常出現一類問題,即知道故障源在哪邊,換掉就OK了,但是卻無法定位故障原因。

          在h總的建議下,用+16V電源直接加到UC2842的Vcc處,UC2842起來了,輸出卻基本是高電平,偶爾會有一個下降脈沖,確定不了是什么問題,把+48V電壓也加上去了,一陣火光,電流采樣電阻燒掉了,其實應該想到電阻會燒,UC2842的脈沖輸出管腳保持高電平即MOSFET處于常開狀態,此時加上的48V電壓便是加在0.22Ω的采樣電阻兩端,這么小的電阻自然會燒掉的。

          電流很大,導致Mosfet也損壞了,柵極和漏極短路,UC2842也完全不正常,今天一天就在維修這塊滿目瘡痍的電源板,拆掉原先的直插UC2842,由于公司只有貼片的UC2842,只好用導線將之焊接相連,拆換Mosfet,Mosfet還是ls幫忙拆下來的,我畏首畏尾拆了半天,又擔心把板子燙壞了,一直也沒拆下來,也許正是因為如此,才效率如此低。

          現在對開關電源真的是一頭霧水,原來那么多不明白。

          電子元器件供應商承諾上周到到的DIP-8 UC2842芯片今天還未到,打電話咨詢,得知芯片還未發出。下午,為了確保他會按時發貨,我再次打電話咨詢,得知貨還未發出,雖然他說晚上下班前發貨是一樣的,但我明顯已不信任他的話,有點火,他也給出了幾個解釋。是的,每一件事情的存在,都可以有非常合理的理由。但是,我氣憤的是他沒有按他所承諾的去做,我介意的不是時間長短,而是他應如實地告訴我,而不是事后貌似如實的解釋,我表達了這個意思,可能有點咄咄逼人了,同事說像領導訓話,反思了一下,我的表達可能是過于尖銳,怎樣做才能表達清楚自己的意思而又不讓人覺得尖銳難接受呢?

          "我明白你的考慮,我也不是非要在短時間內XX,只是希望開始的時候能夠明確地知道到達的時間,你懂我的意思嗎?\\\" 是不是應該這么說呢?也許應該表達得謙卑一點,真的不是要刻意為難。

          轉正答辯時有幾個問題回答地不到位,雖然只是走個過場。

          問題1:

          “那你認為改版是成功的還是失敗的?”,我非常直接地回答了,是失敗的,這也許真的是大忌,應該這樣回答:“它是可以應用的,但相對來說,性能不夠理想,也會增大臨界情況時的風險。”

          問題2:

          “變換器工作頻率的選擇,為什么是10kHz,能不能大或者小?”,回答的時候,我只知道頻率太高的話,系統損耗過大,而且IGBT有上限頻率的限制,無法做到太高的頻率,卻沒想過頻率太小會怎樣,其實切到前面電感參數選擇原則看到紋波系數才想到講頻率越小,紋波系數越大。剛才看書《精通開關電源設計》P12的一句話可以解釋頻率的問題,下面不做全部段落的摘抄,只寫了結論:頻率太高為什么不好?損耗幾乎與開關頻率成比例增加,頻率太高會導致嚴重的電磁干擾現象。人們為什么又追求高頻率?使變換器工作在超過人耳聽覺范圍的頻率,電抗器不至于發出影響人的噪音,能夠最大程度減少電源中器件的體積,增強電源的環路響應。  

          繼續,想測的波形大概都測完了,勉強可作我計算和仿真的參考,接下來的一周圍繞相關項目要用的幾種電路板進行的,做了每種板子的接口圖交給電氣部以便于他們繪制電氣圖、做清單,另外將電路板的測試文件、三防漆噴涂規范等相關文件定稿交給生產部,同時指導他們進行前期測試。boost控制板、電源板、電容并聯板、超級電容管理板、二極管板共五塊板子,想起來,還真的花了不少時間整理相關的文件。如果,花的時間真的有所值得也就罷了,事實是浪費了很多時間。首先是boost控制板,一共9塊,測試測了也至少有三次,第一次純粹是練手,是為了完成測試報告的編制,還是剛來公司那會h總安排的這個工作。后來今年說要推這個項目,我又拿出來測了一遍,發現有部分板子上的UC2842無法啟動,感覺應該是啟動電路上的穩壓管有問題,不過也不確定,隔了幾天又恢復正常了,也就沒有繼續查下去,然后又想要老化,所以老化完又要重新測試,其間對控制板各個細節都測過了(PS:后來其實又測過好幾次,事實證明,測得還不夠細致和深入,以及沒有做好詳細的測試記錄工作),感覺記憶不太夠用了,板子上的參數總是算了好幾遍,要用時又忘記。然后是與生產部的交接文件,整理了好幾次,當然也是因為我對板子的前因后果掌握得原本就不清楚,說到這個交接工作,及其痛苦,每次與XX交涉都感覺要被逼死似的,好像測試電路板不是他們的工作,而是我有求于他們似的。很早之前就專門整理好文件要交給他們,他們因為公司沒有將該項目提到日程上就不了了之,之后,開始提這件事,又開始說時間不夠之類的話。看來公司真的是一切都主導研發。目前,生產越來越強勢。

          好吧,回到boost,上周匯報工作被w總教育加批評了兩個小時,我開始認真分析boost的主電路傳遞函數,突然明白自己之前做的一切都像囫圇吞棗,結果搞得堵住了,咽不下去也吐不出來。以前只關注電流閉環的等效傳函,也根本不明白為什么要加反饋補償,通過用Mathcad畫出boost主電路傳遞函數的波特圖,那些公式終于不再只是公式了,對我而言,書上的推論和公式都是對理想boost建立的。我把電感直流電阻和電容的ESR都加進去,推出了比較接近真實的傳遞函數,說起來算了兩天的時間呢。算得腦子里全是那個分數式子,把波特圖導進去后,才發現這些雜散參數的意義,其實改善了傳遞函數的性能,而不是泛泛而談的有害。當然太大肯定是無益的,電感直流電阻太大會分掉電感上的電壓,這樣在保持Vo不變的前提下只有增大占空比,而我們目前的應用下占空比其實已經很高了。電容的ESR太大,輸出電壓的紋波會相應增大,因為在開關關斷時,電容會通過一個大電流,Vo的紋波就與ESR直接相關,同時電容的損耗和壽命都與此相關。

          總結來說,電感的直流電阻和電容的ESR改變了Gvd Gvg等傳遞函數的零極點特性,改變了品質因數Q值,這個值對傳遞函數非常重要。

          DIP8 UC2842昨日下午到的,焊到電源板上,重新裝到Boost上進行測試。

          空載測試,分別用兩個隔離差分探頭測輸入電壓ES和輸出電壓DC,霍爾電流探頭測一路電感電流:100:1 200:1 10mV/A ,測得的輸入電壓ES不太正常,在Boost啟動時,存在大幅度振蕩,換了10:1的Yokogawa原裝普通探頭測ES,其他不變,測得的ES波形在啟動時雖有振蕩,不過幅度不大,在安全范圍內。看來選擇探頭也是一件很重要的事情,已經有兩次是因為選擇了不恰當的探頭而造成問題。可是探頭的選擇到底應該考慮哪些因素呢,難道只能吃一塹長一智?

          今天測了120Ω負載,40Ω負載的波形,其間發生點意外,把一個100Ω/2000W的電阻燒斷了,有明顯火花,原因是放置電阻的時候將兩個電阻挨在一起放置了,導致其線圈接觸而短路,原來這樣的大功率波紋電阻外部是沒有絕緣保護的,其線圈都是直接裸露的,外面只是刷了一層薄薄的漆,不清楚是否是絕緣漆,從而易于散熱。不過測40Ω的電阻時,用的兩個2000W/20Ω的電阻,實際在電路中的功率為(500/40)^2*20=3000W,也許因為這樣,波形后半段有點振蕩。

          重載時,由超級電容提供的48V電壓會受到電流的明顯影響,30Ω負載時,輸入電壓基本就在43V上下波動。

          而中間負載時,電流會呈現比較明顯的包絡譜。

          PS:現在才明白電流呈現的包絡譜其實就是boost的低頻振蕩,后來根據現有系統推導出來的開環傳遞函數其實真的并不滿足穩定性要求,后來通過減小輸出電壓反饋補償環路的直流增益來改善了,其實就是犧牲了調節精度來獲得穩定性。不過那時候搞不清楚,還稱其為包絡譜,幼稚。還覺得好奇怪,為什么滿載的時候沒有這個現象呢?幼稚!

          1. 關于探頭:

          700924為YOKOGAWA的100MHz帶寬+/-1400V范圍的有源差分隔離電壓探頭,變比分為兩檔:1000:1 & 100:1;

          LDP-2002探頭為25MHz帶寬+/-1400V范圍的有源差分隔離電壓探頭,變比分為兩檔:200:1 & 20:1;

          從文件夾<BOOST829>中的0005.wdf可以看出700924的優越性,LDP-2002測到的高頻尖峰電壓呈階梯狀,明顯是采樣率不夠,另外用LDP-2002與700924測同一點波形,LDP-2002測得的尖峰比700924測得的延遲350ns(PS:后來發現是我使用的那臺錄波儀DL850的CH1、CH2輸入模塊是100MHz帶寬模塊,其他輸入模塊均只為1MHz模塊,而我測試時700924探頭一般是接入CH1,而LDP-2002接入CH3或者CH4,所以此處測得波形的差異實際上并不足以說明探頭的優劣)

          2. 關于以前的誤解

          以前測得的波形均為10ms/div,測的時間很短,所以以為Boost的輸出電壓和電感電流是持續存在低頻振蕩的,這段時間錄波儀的時間軸設為100ms/div測試了30Ω負載,發現這種低頻振蕩實際上是衰減的,48V輸入電壓 & 30Ω負載條件下 振蕩大概約150ms后,電感波形和輸出電壓就基本沒有明顯的低頻振蕩了。

          3. 關于輸出電壓的高頻尖峰電壓太大

          IGBT關斷時的尖峰電壓是由于主電路的雜散電感造成的,會由升壓二極管傳遞到輸出端,比輸出電壓直流值高150~200V左右(負載最重時即30Ω負載),隨負載減輕而變小。

          IGBT開通,二極管關斷時的輸出電壓呈現一個衰減振蕩,最初是個向下的高頻尖峰,緊接著是一個向上的尖峰,值很大,+/-200V左右,但是這個振蕩只出現在輸出電壓而并未出現在IGBT的集電極,實際上,這個下降的尖峰與IGBT開通時下降的集電極電壓保持相等,所以現在懷疑是二極管的關斷時間和反向恢復電流、電壓造成的這一現象。    

          寫到這里,基本就告一段落了,這邊就是一個開關電源白癡面對一個10kW boost 48v-480v直流升壓器,通過一系列白癡級別的測試去了解boost的運作模式的,基本算是明白了書上講的那些東西。

          入門比較痛苦,但是由于時間不緊張,我也可以慢慢做,后面一段時間就是比較艱苦的工作了,怎樣在現有的基礎上把性能調好,然后是一個全面的型式測試,經常晚上一個人在空蕩蕩的廠房調試,只有保安偶爾過來跟我聊聊天,但是我做實驗的時候不大敢聊天,怕自己操作錯,事實上我真的有一次因為跟人聊天把正負極接反了直接導致線路板燒掉了,此后我就再也不在做實驗的時候與人講話了。做型式測試過程中遇到很多奇葩問題,甚至我都不曉得應該怎么描述出來,最后的解決辦法也都是治標不治本的辦法。

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