续流二极管FWD的应用及其故障分析

  1.引言
  直流电路(指电感及其驱动元件组成的局部电路是直流的)中,电感元件中的电流突变会产生自感反向电势。若此自感电势过高,会危害电路尤其是驱动该电感的元件。在电感两端并联一个二极管快速消除此自感电势,就不会烧坏驱动该电感的元件。通常并联在电感两端的这种二极管称为续流二极管(FWD)。
  续流二极管的型号,必须选择导通电压低并能快速导通的二极管(例如肖特基二极管导通电压一般0.3V,而普通二极管高于0.7V);脉冲频率较高的直流电路中最好选用快恢复二极管。
  续流二极管的功率, 要能保证不被反电势所产生的电流损坏:
  ·驱动器件为晶体三极管、集成电路或继电器触头, 可选用小功率续流二极管同时在续流回路中串接限流电阻减少续流电流。
  ·驱动器件为单向可控硅,续流二极管功率要大,续流回路中绝不能串联电阻。因为续流二极管的作用是确保流过单向可控硅的电流小于其维持电流使单向可控硅能处于可控状态, 所以续流二极管必须迅速短接线圈的反向电势以减小电感两端电势差。若串接限流电阻,将延缓电感两端电势差降低,破坏单向可控硅的截止条件。
  ·相对于电感两端的直流电压, 续流二极管只在电感产生反向电势时才导通,所以其极性总是反接的。
 
  2. 电感并联续流二极管避免某些故障
  例如某轮应急发电机组经常不能自动起动。
  观察发现, 柴油机控制总油门因电磁铁失控而常处于关闭状态。电磁铁控制电路如图1所示。

  检查见电磁铁线圈正常, 但控制电磁铁线圈L的自启动故障停机继电器J12的常开触头被烧死。更换24V直流继电器J12后故障排除, 但起动几次后故障又重复出现。
  为什么常开触头被烧死呢?因为电磁铁线圈L受该触头控制, 当其断电时产生的自感电势与电源电压相加,常开触头J12的动、静触头之间电流过大,烧蚀或烧粘触头。
  为消除故障原因, 适当改进电路见图1。
  在电磁铁线圈L两端并接一个续流二极管与限流电阻组成的放电电路, 此后再无此类故障发生。
 
  3. 续流二极管引起故障的分析
  续流二极管引起的故障时有发生。但不少人认为续流二极管只是保护电感不会导致故障, 排除故障时因忽视续流二极管而走弯路甚至不能走出困境。
本文分析船舶电气设备常遇到的续流二极管引发的几种故障,意在提醒留心续流二极管的存在,希望掌握续流二极管所引发故障的特征, 从而快速、准确判断、提高工作效率，确保安全。
  (1)续流二极管接线松动
  某轮一台同步发电机组刚起动, 电压还没建立起来,励磁电路的保险管(RD1或RD2)或就被烧断,不能正常供电。
  该轮的同步发电机采用可控硅自励恒压装置,其励磁部分电路如图2所示。  
  故障后检查：
  ·二极管SR1、SR2和可控硅SCR1、SCR2等元件均正常;
  ·可控硅SCR1、SCR2等的触发电路, 在三极管VT3和VT4上的触发脉冲导通角可随输入电压变化,证明脉冲触发电路工作正常。
  几乎检查了整个电路,没有发现任何疑点,更换熔断器后再次起动发电机组故障依旧。
  再三分析,找不到其他疑点,陷入困境。
  当时认为续流二极管SR3只是保护电感L, 即使失效也不可能导致烧断保险管RD1或RD2。后来因找不到其他疑点,姑且验证一下续流二极管SR3,用万用表测量正常,但发现一端接线螺丝松动。
  拧紧续流二极管SR3松动的接线螺丝, 再起动发电机组,工作恢复正常。
  可控硅自励恒压装置主要波形图见图3。   这起故障的机理是, 一端接线螺丝松动,相当于续流二极管SR3串联了一只接触电阻, 当发电机定子电压经SR1、SR2、SCR1、SCR2整流成的正脉冲电压下降时, 续流二极管不能及时充分消除励磁线圈L产生的自感电势,当发电机定子交流电U_be：
  ·从上半周向下半周过渡时, 励磁线圈L的自感电势因并接的串联了一个接触电阻而不能充分短路,破坏了可控硅截止条件,可控硅和之一仍维持导通且电流大于其维持电流；
  ·到下半周,前一可控硅仍处于导通状态,加上触发脉冲又导通了另一可控硅,即SR1、SR2、SCR1、SCR2等同时导通,相当于它们短接了电源,大电流导致或烧断。
 
  (2)续流二极管性能变差
  某轮自动舵随动操舵,左舵正常,但只要从正舵操一点右舵就会失去控制,舵机一直转到右满舵。
  自动舵的电气控制部分,由信号发送器、比较放大环节、反馈环节、触发脉冲发生器、可控硅、电磁阀等环节组成。随动操舵方式的左舵工作正常,可以说明信号发送器正常,故障点只能在放大/反馈环节、触发脉冲发生器、控制左舵的可控硅等环节。
  检查放大反馈环节、触发脉冲发生器等,发现它们都能正常工作。
  该轮自动舵可控硅控制电磁阀部分, 电气原理图见图4。图中, JD1为电磁阀, SCR1为单向可控硅, D1为续流二极管。   ·查电磁阀JD1正常。
  ·查可控硅SCR1, 为查证操右舵时它是否失控,用一只白炽灯代替电磁阀, 结果白炽灯的亮度随操舵信号变化而不是一直亮着, 证明控制转右舵的可控硅能正常关断。但是白炽灯换成电磁阀,故障依旧。
  这时根据可控硅驱动电感元件的特殊情况, 想到了续流二极管的作用, 用万用表的电阻档检查续流二极管D1,没有发现异常;但将该二极管通电后检查,发现其导通电压变高。更换续流二极管后故障消失,可见故障点在续流二极管。
  如所周知,关断导通的可控硅,有两种方法,施加反向电压,或使流过可控硅的电流小于其维持电流。
  按该自动舵电路, 驱动电磁阀的正向脉动电压下降时, 电磁阀JD1产生的自感反向电势会阻止单向可控硅SCR1关闭。这样当加在电磁阀JD1上的正向脉动电压下降→JD1电流减少→JD1自感电势增大→阻止单向可控硅SCR1中的电流减小,单向可控硅SCR1不能关闭。
  而续流二极管D1的作用就是降低电磁阀JD1的自感电势以保证单向可控硅SCR1关闭。
  该自动舵故障,续流二极管D1性能变差,虽能导通, 但压降增大。当驱动电磁阀的正向脉动电压下降时,电磁阀JD1产生的自感电势没能被D1短路,使得单向可控硅SCR1中的电流大于本身的维持电流。这种情况下, 操舵手轮转一点点右舵就会导通控制右舵电磁阀的可控硅SCR1,并因续流二极管性能变差而一直导通, 所以舵机直转到触及右满舵限位行程开关后才停止。
 
  (3)续流二极管损坏
  某轮单边带电话(SSB)发信机,有些信道工作正常,有些不能工作。
  有些信道正常,另一些信道故障,说明各信道共用部分正常,故障点在各信道的非公共部位。
  开通单边带电话(SSB)故障信道观察发现,先是天线调谐器内部的许多继电器不停地在吸合、释放,随后发信机面板上过载指示灯亮,发信机停止工作。
  自动天线调谐器(以下简称天调,组成原理见图5), 作用是使天线与功放匹配。因为GMDSS
通信系统的地面通信系统的最大特点之一是频率范围宽, 而不同信道(频率)需要天线与功放的不同匹配,才能使功放所提供的功率最大限度地输送到天线。天调以单片机为核心,运行控制算法自动调整电容与电感阵列系统,解决谐振与匹配的矛盾。
  SSB天调的继电器驱动电路原理见图6。
  怀疑故障信道的天调失效,逐个检查:
  ·切换电容阵列和电感阵列各继电器未见异常。
  ·各继电器的驱动电路, 发现一个驱动继电器的晶体三极管损坏。
  ·检查了该驱动电路所对应继电器线圈两端并联的续流二极管,见已损坏(根据经验,驱动继电器的晶体三极管损坏,往往是其续流二极管失效所致)。
  ·更换损坏的晶体管三极管和续流二极管, 单边带电话SSB恢复正常。
  该故障的机理:
  ①继电器J12断电时的自感电势, 因续流二极管D23损坏得不到消除,且与电源电压同相,一起加到驱动继电器的晶体管T24长上致其损坏；
  ②晶体三极管T24损坏,使得继电器J12常开触点所连接的电感、电容(如图7所示)不能被加到天调网络中去,导致相应信道天线与功放不能谐振；
  ③相应信道天线与功放不谐振,单片机得到的检测信号仍是失谐,就继续运行控制程序不断吸合/放开其他继电器企图达到匹配；
  ④天线与功放长时间失谐就会严重发热,过热保护系统发出过载报警。  
  3. 结束语
  随着电子技术的不断发展, 在船舶的其他电气设备中也广为应用续流二极管,如开关电源、无刷直流电机、变频调速等设备中。这里要提醒的是,在使用变频调速的船舶锚机和起货机中, 变频器中的续流二极管是直接并联在输出级的大功率三极管(IGBT)两端的,但变频器所驱动的负载是电动机, 所以这时的续流二极管仍是与电感并联的, 对驱动电动机的大功率三极管(IGBT)起着保护作用。



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