選擇合適的過流限制晶體管降低設(shè)備電源故障率

有一天，我的老板告訴我，我們的一臺(tái) 5 kW DC 到三相 AC 逆變器的服務(wù)電話太多，并讓我看看我能做些什么來降低故障率。

有問題的逆變器用于為空氣制動(dòng)壓縮機(jī)供電。它大約有兩個(gè)大微波爐粘在一起的大小。空氣壓縮機(jī)對(duì)于使用空氣制動(dòng)系統(tǒng)的地鐵車廂的正常運(yùn)行至關(guān)重要 [1]。在這個(gè)系統(tǒng)中，氣壓被用來控制火車上所有車廂的剎車。當(dāng)壓縮機(jī)逆變器發(fā)生故障時(shí)，壓縮機(jī)無法將空氣泵入制動(dòng)儲(chǔ)氣罐，整個(gè)列車必須停止使用進(jìn)行維修。

逆變器被送回我們工廠進(jìn)行維修。一種故障模式脫穎而出，占所有維修的 16%。故障最多的部分是一個(gè)小信號(hào)晶體管——逆變器故障報(bào)警電路的一部分。該電路驅(qū)動(dòng)火車線路并點(diǎn)亮駕駛員狀態(tài)面板上的空氣壓縮機(jī)故障燈。

火車線路是一條通往一列火車中所有車廂的線路。有控制列車線路和報(bào)警列車線路。故障列車線點(diǎn)亮了列車所有車廂駕駛室中的白熾燈(車廂設(shè)計(jì)來自 1990 年代中期)。在火車上總共有六盞燈連接到那條線上。

我回到車間，向技術(shù)人員詢問故障零件。他們告訴我，故障部件在維修后被丟棄。我能接觸到的只有原理圖。

我分析了電路。一個(gè)隔離的集電極開路信號(hào)驅(qū)動(dòng) Q1 的基極，一個(gè) 10 kΩ 的上拉電阻 R1 連接到電池電壓。晶體管 Q1 是類似于 TIP122 的 NPN 達(dá)林頓晶體管。達(dá)林頓集電極 Q1C 連接到電池電源 74 V，其發(fā)射極 Q1E 連接到電流感應(yīng)電阻器 R21，700 毫歐。最后一個(gè)二極管 D1 連接到火車線路。限流晶體管 Q2B 的基極連接到 Q1E-R2 節(jié)點(diǎn)，Q2 的發(fā)射極連接到 R2-D1 陽(yáng)極。晶體管 Q2 的集電極連接到 Q1 的基極。這是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的電流限制器電路 [2] [3]。最失敗的晶體管是 Q2，它與 MPSA42 相似。

白熾燈具有顯著的開啟浪涌電流。熱絲電阻和冷絲電阻之間的比率在 12:1 和 18:1 之間變化 [4]。該限流電路可保護(hù)晶體管 Q1 免受短路和燈開啟電流過載的影響。

問題是：是什么導(dǎo)致 Q2 失敗?

可能是因?yàn)榧姌O到發(fā)射極的電壓太高了嗎?不，Q2 的集電極連接到 Q1 的基極，Q1 的發(fā)射極連接到 R2 的底部。最大 Vce 是 Vbe 的三倍，或約 2.1 V。晶體管 Q2 的最大 Vceo 為 300 V。同樣的推理適用于只有兩個(gè) Vbe 下降的 Q2 Vcbo。

Q2 會(huì)因?yàn)榧姌O電流太大而失效嗎?不可以，上拉電阻結(jié)合電池電壓最多只能提供 7.4 mA，Q2 的最大持續(xù)集電極電流為 500 mA。

Q2 會(huì)因?yàn)楣倪^大而失效嗎?不，最大集電極到發(fā)射極電壓為 2.1 V，最大電流為 7.4 mA，峰值功耗小于 20 mW，Q2 的最大額定值為 625 mW。

Q2 會(huì)因?yàn)榉聪螂娏骰螂妷憾?不，二極管 D1 可以防止這種情況。

剩下的唯一故障原因是流入 Q2 的基極電流過大。制造商的規(guī)格中很少給出最大允許基極電流。我發(fā)現(xiàn)的一個(gè)來源是 2N3904(采用 TO-92 封裝的晶體管)，峰值基極電流的最大值為 100 mA [5]。

在這個(gè)電路中，流入 Q2 的基極電流怎么會(huì)如此之高?晶體管不會(huì)立即切換狀態(tài)。隨著 Q1 開啟并飽和，如果發(fā)生短路，Q2 開啟和 Q1 關(guān)閉需要時(shí)間。顯然，這些延遲使得 Q2 中的基極電流可能高于 100 mA 并造成永久性損壞。在 Q2 打開且 Q1 關(guān)閉之前，除了由 0.7 歐姆電阻組成的電路電阻外，沒有任何東西限制電路中的電流。增加問題的是基極-發(fā)射極電壓和基極電流之間的指數(shù)關(guān)系。Q2 中基極-發(fā)射極電壓增加 60 mV 會(huì)導(dǎo)致其基極電流增加 10 倍 [6]。

我如何將基極電流限制到 Q2?解決方案很簡(jiǎn)單：插入一個(gè)與 Q2 基極串聯(lián)的小電阻。

這會(huì)改變電流限制設(shè)置嗎?計(jì)算表明，與 Q2 的基極串聯(lián)的 220 歐姆電阻器使限制電流值增加了 6%，這是可接受的。當(dāng) Q1 無法將集電極與發(fā)射極短路時(shí)，該電阻器還將保護(hù) Q2。

為了簡(jiǎn)化維修，我選擇了一個(gè)帶有內(nèi)置基極電阻的晶體管，其引腳與原來的相同。唯一的變化是零件清單和原理圖;PCB 上不需要修改。

我通知我的老板，我會(huì)要求所有進(jìn)入車間的設(shè)備都進(jìn)行改造。他同意我的看法。我提出了一個(gè)要求，當(dāng)一個(gè)單元返回服務(wù)時(shí)，晶體管 Q2 將被更換為新部件，無論 Q2 是否正常工作。在那之后，沒有一個(gè)修改過的單元返回一個(gè)失敗的 Q2。

經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)是： 1) 小心無限電流進(jìn)入 BJT 基端;2) 額定值不是無限的，并不是因?yàn)閿?shù)據(jù)表中沒有對(duì)器件能力進(jìn)行限制，而且;3) 始終將故障部件放在手邊，以防需要進(jìn)一步分析。