Danfoss变频器75KW及以下开关电源工作原理及维修 Danfoss武汉技术中心：柯卫红（高工、高技） 13607179868 2018-08-15
丹佛斯变频器的电源卡损坏后，客户都是购买新电源卡换上。此时需要通过参数14-23，对变频器铭牌配置进行设置，就可以正常工作了。其中，电源卡的开关电源损坏了，不需要马上更换，看了我这篇文章后，可以尝试地进行维修。
我们怎么才能知道，问题出在开关电源呢？开关电源损坏了，往往具有以下特点：1、变频器可以通电，LCP面板不亮，指示灯不亮，风扇也不转，即变频器无任何动静。2、直流母线电压正常，为525V 左右。3、控制卡12号端子或13号端子，对20号端子直流无电压（正常值为24V），或50号端子对55号端子直流无电压（正常值为10V）。4、开关管即下图的Q1可能破裂了。
开关电源输出电压及功能：24V，供给风扇；运行、故障继电器线圈；缓充电转换继电器线圈；控制卡各数字输入端子，例如：12、13、18、19、27、29、32、33、37等等。+-15V（或+-12V）即正负直流电压，供给霍尔传感器和门极驱动卡的OCL互补对称功率放大器等。12V，供小型继电器，控制卡的主从CPU；直流小风扇；散热片温度传感器；门极驱动卡整形、钳位、比较、运算放大器。其中12V转换成10V供控制卡50号端子，带着小于500欧的内阻输出（0-10V可调）。12V转换成9V，供控制卡的从CPU，各类回路检测放大器，控制卡温度传感器，LCP显示屏，施密特触发门电路等。12V转换成5V，供LCP显示屏、按键触发板、门电路，USB电路，485通讯电路，A/D转换电路，ROM电路、EEPROM芯片，主、从MCU电路，+5VSB待机电路，发光LED电路等等。热板地的+5V，由PWM自己产生，供PWM过压保护电路，待机电路，光耦电路，电源指示LED灯，TL431（4311H）精密稳压调节器，和开关变压器主边，有关热板地的其它精密电路。
由12V转换成5V再转换成3.3V（FC302的USB接口由3.3V供电）、2.5V、2.2V等等电压，主要供给主从MCU和它附属的精密晶振电路。FC302机型多出一组18V电压，其15V、12V由此调整得到。
上图为51系列，典型的单端反激式开关电源，由于版面有限，一系列保护电路没有画出来。由于丹佛斯变频器开关电源，点位标注较长，且很多元器件根本就没有标注点位，因此，此图点位为我个人标注。FC302系列重要点位对照，下面有详细说明。开关电源工作原理和维修，参照上图。
FC302系列开关电源，实物电路板中，开关管点位TR920（4脚开关管：D、4.6Vvcc、G、S），对应图中Q1，为N沟道场效应管 ；IC902就是2844B即图中的PWM3844B，脉冲宽度调制器；T960开关变压器对应图中T1 ；IC901为光电耦合器，上图中未画出；IC950为239，低功耗四路电压比较器，上图中未画出。IC940是4311H，为精密稳压调节器件；实物电路板的限流取样保护电阻：R924/R924A/R924B/R924C,对应上图中的R1；D960/D961为肖特基双二极管，并联后输出24V，即图中D3；实物电路板上的C965/C963/C969/964/C971，即560uF/35V*5只，均为24V输出滤波电解电容。C990/C995为18V滤波电解电容；C940/C941为12.3V启动滤波电解电容，相当于上图中的C19 ；C983为5V滤波电解电容。R913/R914为启动电阻，120K*2只，相当于上图中的R29、R30 。在IC901光耦旁边的8脚芯片为431A1，即精密电压调节器，有的机型用4311H，8脚芯片，功能相同，只是多了一组稳压。
Q1为核心开关管；T1为开关变压器；C7、C8、C9、C10为主滤波电容即2200Uf/450V*4只，开关电源工作电压，取其1/2，即直流母线电压的一半(FC51系列）。PWM3844B同2844B，各脚功能为：1、2脚，占空比调节，即Tr=on/off；3脚过流保护，此脚电压超过1V停震，即，3844B不工作，或工作在保护状态；4脚同步震荡；5脚接热板地；6脚宽度脉冲输出；7脚，VCC供电，电压达到17.6V开始工作，一旦3844B起震后，7脚电压稳定在12.3V；8脚自输出基准5V 也为+5VSB伺服待机电路供电 。
当交流380V电压接通瞬间，已整流未滤波电流，通过NTC 负温度系数15欧热敏电阻R18、R19，再通过4只主滤波电容，回到热板地，形成回路。R18和R19迅速发热，电阻从15欧降到0欧。约0.3秒时间，开关电源副边24V、+-15V、12V等电压建立，电压快慢建立的时序是：+5VSB，5V，12V(由12V转换的系列电压，待电解电容充满了，也建立起来)，+-15和24V。由于+5VSB要为CPU供电，所以它是第一个建立，最后一个消失。24V电压稳定后，整个开关电源也就稳定了，风扇开始自检转动起来。当12V(或24V，机型不同)电压建立后，30A250AC缓充电转换继电器闭合，将R18、R19短路。R18、R19完成了缓冲工作，保护了主滤波电容，也避免直流母线极间跳火拉弧。开关电源稳定时间，约为0.35秒。
开关电源工作原理： （作者：Danfoss武汉技术中心：柯卫红 ）
Q1的D极（漏极），通过L储能绕组，接到直流母线1/2的电压上；S极（源极）通过限流、取样，保护电阻R1(2.7欧），接热板地；G极（控制极）通过限流匹配电阻R11和单向二极管D4，接在PWM3844B的OUT6脚，Q1满足导通条件。
当直流母线电压达到180V时，90V电压通过一系列启动电阻R29、R30，为启动电容C19充电，充到17.6V时，PWM3844B的7脚得电开始工作，6脚输出矩形波，通过D4整形，通过C101和R11并联支路，触发Q1，此时C101左+右- ，C101起加速作用（后面还会提到）。 Q1由截止状态变为导通状态，IGS产生，IDS产生，IDS电流的大小=流过L储能绕组的电流，L储能绕组开始由电能，转换成磁能，开关变压器T1充磁的过程开始了。此时T1副边，D3、D2等，无电压输出。
L储能绕组的上端，在充磁过程中，为上正下负，L激励绕组也是上正下负，即T1中标有黑点的端子，是同名端。所谓同名端，是指在同一个变压器，或同一个磁场闭合回路中，一个绕组的一端，总是与另一个绕组的一端，保持极性一致，这两个端子，就是同名端。L激励绕组的上正电压，通过激励二极管D8、限流匹配电阻R32，会抬高C19电压，抬高PWM3844B的7脚电压，于是该芯片的6脚输出波形的占空比加大，开关管Q1由刚刚的导通状态，瞬速转变为饱和状态，即此时的IDS电流达到最大化。T1由电能转化成磁能的充磁过程也达到最大化。此时T1副边，D3、D2等，仍然无电压输出。
当Q1的IDS达到最大化时，限流、取样保护电阻R1（2.7欧）的压降，也达到最大化，约为0.7-0.8V，此电压我们称为VR1，VR1通过限流匹配电阻或直接送到芯片PWM3844B的3脚，经C21旁路整形后，到达芯片内部的施密特电路，进行精密处理，于是，芯片的6脚输出开始减小，Q1的G极触发减小，开关管Q1由刚刚的饱和状态，退回到导通状态。Q1的IDG电流减小，IL储能绕组的电流减小，IL为了维持电流不突变，会产生一个反向电动势，为：L储能绕组上负下正，其对应的同名端L激励绕组，也变成了上负下正，即L释放绕组，开始有电压输出，磁能转化成电能的过程开始了。此时T1副边，D3、D2等，开始输出电压。 （作者：Danfoss武汉技术中心：柯卫红 ）
由于L激励绕组的上负，无法突破激励二极管D8（反向截止），导致C19的能量补充不足，会使PWM3844B的7脚电压瞬速下降，于是芯片6脚输出波形也瞬速下滑，甚至为负脉冲，此脉冲与C101的左+右-串联放电，导致Q1瞬速截止。此时Q1的IDS=0，IL储能绕组=0，当L储能绕组中的电流为0时，磁能转化成电能的过程也达到最大化。即：T1副边，D3、D2等，输出电压达到最大化。
Q1由截止、导通、饱和，回到导通、截止，完成了一个周期的震荡。Q1不断快速地通断，就将直流电变成了交流脉冲，L储能绕组的上下两端，就是高频的交流电了，其频率可以达到500KHz以上。根据电感的品质因数公式，Q=fL/R ，可以看出，开关电源的高频率可以获得高效率，达到90%以上。因此开关电源可以做到：体积小，重量轻 ，效率高。还可以实现全自动过流过压过温度保护等等。Danfoss的开关电源，功率可以达到200W以上 。
R20/R21/R22/R23,阻值约为43K，其作用是保护主滤波电容，充电时均压，又做放电电阻，避免主滤波电容长时间带电。这四个电阻中的任意一个，在主滤波电容充电时开路，会造成充电电压不均衡，使电容器鼓泡漏液，严重的，会使变频器炸机。送电时炸机，则变频器整流模块会损坏；IGBT模块一般良好。
C14/C15/C16/D5和R28,组成尖峰脉冲吸收网络，保护开关管Q1在截止的一瞬间，不被反向电动势峰峰值击穿。Q1截止，L储能绕组会形成上负下正的反向电动势，此能量被C14、C15吸收；D5为导通状态也被C16吸收，由于C16容量最大，吸收得也越多。此时C14上负下正，C15也是上负下正，它们串联在一起，可以提高一倍的耐压；C16也是上负下正，等待放电。当Q1饱和时，L储能绕组表现为上正下负，于是C14、C15串联放电，D5反向截止，C16吸收的能量，赶快通过R28放完，等待下一个周期，此时C16两端电压为0，而C14、C15放完电后，又会充得上正下负，也在等待下一个周期的到来。Q1不断快速地通断，L储能绕组两端的尖峰，就被尖峰脉冲吸收网络给削顶了，我们既希望提高L储能绕组两端的交流峰值，又要保证Q1不被过高的反向电动势峰峰值所击穿。关于L储能绕组的更深知识点，不在本文的讨论中。
空开接触不良，L1/L2/L3进线电压太高或接触不良，闪断等，都有可能造成R28开路，随即开关管Q1炸裂。
开关电源的典型维修：
一：开关管Q1炸裂：开关管工作在高频率，高电压，大电流的环境中，因此损坏的概率也较大。引起Q1损坏的原因有：1：雷电、空开接触不良；三相进线电压过高、接触不良；闪断等等，会造成人为谐波过大，Q1的D极电压异常，G极驱动异常。2：R20/R21/R22/R23中的任一只开路；主滤波电容鼓泡、炸裂、漏液；R28的开路、C16的断开；PWM3844B芯片损坏。3：环境温度过高，Q1散热不良；开关电源受潮、直流母线跳火；有异物掉入、人为带电拔插。4：开关电源负载异常，主要表现在24V风扇不良；强磁场的干扰、强谐波电流的冲击等等。 （作者：Danfoss武汉技术中心：柯卫红 ）
Q1炸裂后，与Q1的D、S极相串联的电路，都会受到影响。例如：电源卡保险烧断，限流取样保护电阻R1开路，在FC302机型中，R924、R925等任一只开路。R924、R925分别为2.3欧，正常时并联值测量时约为1欧，如果损坏了一只，还不容易测量出来，要引起注意。即测量值约为2欧，则其中一只开路了，如果没有更换，新换上的Q1，通电又可能击穿。如果在Q1击穿的同时，R1先被烧坏开路，则IDS的强大电流会通过R11和D4，反串到PWM3844B的6脚，使该芯片损坏。一次性查出损坏的元器件，对于维修开关电源很重要。更换以上损坏的元器件，一次性修复故障。
二：24V无输出，没有发现有烧糊的痕迹：先拔掉所有插头，只留下UDC+/UDC-再在FC302实物板上，找到EX1或EX2，这是24V智能风扇输出插座，找一个好的两线的24V/3.4W傻瓜风扇，接到最外脚（+）和最内脚（-），作为假负载，以避免将开关管Q1损坏，开关电源修好后，也可以方便得观察。
测量开关管Q1的D、S脚的直流电压，实物中开关管是TR920,各脚功能分别是D、4.6Vvcc、G、S ，就测量D和S脚的直流电压，若为520V左右很稳定，则开关管没有震荡，若电压在变化，数字表笔尖在接触脚时，还有轻微火花，说明TR920在震荡。TR920没有震荡，故障在启动电阻R29/R30；3844B和IC950,239芯片上，怀疑坏的芯片，直接用热风台吹下来。注意热风台的温度和风力，不要把其它微小的元器件吹跑了。TR920震荡了，则更换431A1和IC901光耦。此时启动电阻是好的，TR920也是好的。
正常工作时，PWM2844B或3844B的6脚电压是0.89V ；7脚电压是12.3V，很稳定；8脚电压是基准的4.96V，即5V 。如果PWM3844B的7脚电压大于18V，8脚无5V电压，说明PWM没有起震，但启动电阻是好的，开关管应该也是好的。
三：24V电压很低，且在跳变，还可以听到“嗒、嗒”的间歇震荡声音，说明负载很重，或D3/D2，有一路击穿或漏电。FC302机型中，主要检查D960/D961和431A1，包括431A1旁边的三路输出二极管（实物没有点位）。由于篇幅有限，分析起来很复杂，大家掌握重点内容即可。
总之，开关电源比较复杂，需要理论结合实际，慢慢学习。希望我的这篇文章，能起到抛砖引玉的作用。最后送给各位同仁的一句话是：工作要注意安全，生活要注重浪漫！ 。 （作者：Danfoss武汉技术中心：柯卫红 ）
