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电路设计_ACDC非隔离方案(MP150)电路故障分析

作者：小丑西瓜9 | 2024-03-11 18:09:03

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acdc非隔离方案

现象描述：

一直都有在正常使用的插座，突然出现短路爆炸的情况。

故障排查：

用万用表初步判断是功率电阻烧毁断路导致内部烧毁的痕迹，从板子的正反面也可以明显的看到L线的铜皮已经没有了。

进一步检测后将短路的点确认在计量模块的ACDC续流二极管上（雪崩二极管US1J，反向电压600V），当二极管由于反向电压过大，被击穿后，出现短路情况，导致ACDC的输出端短路，大电流导致L线供电回路铜皮烧毁。

下图是计量模块部分烧毁的情况

故障分析：

导致二极管击穿的原因可能有以下几点

1、市电供电不稳定，导致出现反向电压过大的情况，导致二极管损坏

2、二极管本身工艺不达标，导致在突发情况下出现异常（可能性不大）

解决办法：

上图是MP150在实际使用中的应用电路，烧毁的二极管为电路中D2所标注的二极管，该二极管在电路中的作用是续流作用，烧毁的功率电阻为R9。

为了解决二极管电压击穿的问题，有以下两个办法

1、调整电路的布线

2、更换1000V的超快恢复二极管

现象还原：

D2在ACDC放电过程中，由于反向电压过大，导致二极管击穿，导致ACDC输出短路，功率电路R9由于电流过大，功率过高而烧毁断路。

知识补充：

二极管的续流作用

1、续流二极管的工作原理

以电感线圈为例，当线圈中有电流通过时，其两端会有感应电动势产生。当电流消失时，其感应电动势会对电路中的元件产生反向电压。当反向电压高于元件的反向击穿电压时，会把元件如三极管等烧坏。如果在线圈两端反向并联一个二极管(有时候会串接一个电阻)，当流过线圈中的电流消失时，线圈产生的感应电动势就会通过二极管和线圈构成的回路消耗掉，从而保证电路中的其它元件的安全。　　

对于继电器而言，由于继电器的线圈是一个很大的电感，它能以磁场的形式储存电能，所以当它吸合的时候会存储大量的磁场。当控制继电器的三极管由导通变为截至时，线圈就会断电，但此时线圈里磁场并未立即消失，该磁场将产生反向电动势，其电压可高达1000V，这样的高压很容易击穿如三极管或其它电路元件。如果我们在继电器两端反向并联一个二极管(对于继电器，通常会在续流二极管上串接一个电阻以防止回路电流过高)，由于该二极管的接入正好和反向电动势方向一致，这样就可以把反向电动势以电流的形式消耗掉，从而达到保护其它电路元器件的目的。　　

对于可控硅电路，由于可控硅一般当成一个触点开关来用，如果控制的是大电感负载，一样会产生高压反电动势，其原理和继电器一样。在显示器上同样也会用到续流二极管，一般是用在消磁继电器的线圈上。

1)续流二极管在正激开关电源的作用？

在正激开关电源中，当MOS关断的时候，变压器副边靠电感中储存的能量对外提供电流。为使电感在有负载时发挥这种作用，在变压器的副边增加续流二极管。当MOS关断时，电感，负载和续流二极管会产生通路，将电感中的能量对外传递。只有在有外接负载的情况下，续流二极管中才有电流流过。

2)变流技术中，续流二极管在电路里起什么作用？

在电子变流电路中，整流部分单相桥式整流是实际应用最多的单相整流电路。而三相桥式整流是电力系统特别是发电机励磁系统应用最多的方式。这两种电路都要接入续流二极管。其作用大致是一样的，以单相桥式电路为例说明：当可控整流桥接入感性负载时，由于电感电流不能突变，在可控硅关断期内，必须在负载两端接入续流二极管以保持电感电流的通路，以防止可控硅关断时在电感负载两端产生危险的过电压和可控硅能够换相导通。

然而发电机励磁系统应用较多的三相桥式整流电路有三相半控桥与三相全控桥电路之分。因此为了保证整流元件可靠换流，半控桥需要在感性负载两端并联续流二极管，而全控桥不需要这样做。当导通角改变时，半控桥的平均电压和线电流的变化较全控桥慢。

在现如今使用较多的如变频器等设备中包含有整流和逆变等变流电路，其中用到的续流二极管，一般都是在变频器内部的直流母线上加续流二极管，那是因为如果负载是电感元件时当母线上大容量的逆变器发生故障时，直流母线上会产生巨大的反向浪涌能量，此时，我们需要给这些能量提供一个泻放通道，否则巨大的能量将击穿或烧毁小逆变器。而这个通道就需要二极管来构成，故称为续流二极管。

3)单向半波可控整流电路带大电感负载时，为什么必须加续流二极管？

单向半波可控整流带大电感负载，在负半周可控硅截止时，电感负载会产生很高的反向感应电动势，此反向电动势足以使可控硅击穿烧毁，加续流二极管后可使反向电动势泄放为二极管的正向压降（约0.7v），从而有效保护可控硅。

2、续流二极管的作用

续流二极管通常和储能元件一起使用，其作用是防止电路中电压电流的突变，为反向电动势提供耗电通路。电感线圈可以经过它给负载提供持续的电流，以免负载电流突变，起到平滑电流的作用！在开关电源开关电源的供应商中，就能见到一个由二极管和电阻串连起来构成的的续流电路。这个电路与变压器原边并联。

当开关管关断时，续流电路可以释放掉变压器线圈中储存的能量，防止感应电压过高，击穿开关管。

3、续流二极管的选型

一般选择快速恢复二极管或者肖特基二极管，如FR254、FR255、FR256、FR257、1N5204、1N5205、1N5206、1N5207、1N5208、1N5404、1N5405、5406、5407、5408等。

4、续流二极管的注意事项

续流二极管通常应用在开关电源、继电器电路、可控硅电路、IGBTIGBT等的电路中，其应用非常广泛。

在使用时应注意以下几点：

(1) 续流二极管是防止直流线圈断电时，产生自感电势形成的高电压对相关元器件造成损害的有效手段；

(2) 续流二极管的极性不能接错，否则将造成短路事故；

(3) 续流二极管对直流电压总是反接的，即二极管的负极接直流电的正极端；

(4) 续流二极管是工作在正向导通状态，并非击穿状态或高速开关状。

二极管的反向击穿

NO.1 什么是二极管的反向击穿？

晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于p-n 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0。当外加的反向电压高到一定程度时，p-n结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。

NO.2 二极管有几种击穿模式？

二极管的击穿模式有两种，分为齐纳击穿与雪崩击穿。

NO.3 齐纳击穿与雪崩击穿两者的原理是什么？

齐纳击穿：当反向电压增大到一定值时，势垒区内就能建立起很强的电场，它能够直接将束缚在共价键中的价电子拉出来，使势垒区产生大量的电子—空穴对，形成较大的反向电流，产生击穿。把这种在强电场作用下，使势垒区中原子直接激发的击穿现象称为齐纳击穿。

齐纳击穿一般发生在掺杂浓度较高的PN结中。这是因为掺杂浓度较高的PN结，空间电荷区的电荷密度很大，宽度较窄，只要加不大的反向电压，就能建立起很强的电场，发生齐纳击穿。

雪崩击穿：材料掺杂浓度较低的PN结中，当PN结反向电压增加时，空间电荷区中的电场随着增强。这样通过空间电荷区的电子和空穴，就会在电场作用下，使获得的能量增大。在晶体中运行的电子和空穴将不断的与晶体原子发生碰撞，通过这样的碰撞可使束缚在共价键中的价电子碰撞出来，产生自由电子-空穴对。新产生的载流子在电场作用下撞出其他价电子，又产生新的自由电子和空穴对。如此连锁反应，使得阻挡层中的载流子的数量雪崩式地增加，流过PN结的电流就急剧增大击穿PN结，这种碰撞电离导致击穿称为雪崩击穿，也称为电子雪崩现象。

NO.4 齐纳击穿与雪崩击穿有何区别？

区别一：雪崩击穿是在电场作用下，载流子能量增大，不断与晶体原子相碰，使共价键中的电子激发形成自由电子-空穴对。新产生的载流子又通过碰撞产生自由电子-空穴对，这就是倍增效应。1生2，2生4，像雪崩一样增加载流子。齐纳击穿完全不同，在高的反向电压下，PN结中存在强电场，它能够直接破坏！共价键将束缚电子分离来形成电子-空穴对，形成大的反向电流。齐纳击穿需要的电场强度很大，只有在杂质浓度特别大的PN结才做得到。（杂质大电荷密度就大）一般的二极管掺杂浓度没这么高，它们的电击穿都是雪崩击穿。齐纳击穿大多出现在特殊的二极管中，就是稳压二极管。两种二极管都是工作在反向击穿区，二者的区别在于耐受暂态脉冲冲击能力和箝位电压水平等方面有所差异。防雷设计中就是应用两种二极管的伏安特性来抑制雷电过电压。

区别二：雪崩击穿所需电压大！雪崩击穿是PN结反向电压增大到一数值时，载流子倍增就像雪崩一样，增加得多而快。齐纳击穿完全不同，在高的反向电压下。

NO.5 二极管的击穿现象可以利用吗？

部分二极管就是利用了二极管的反向击穿特性设计制造出来的。例如稳压二极管，也叫齐纳二极管，就是利用二极管的反向击穿特性进行稳压的。它是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件.在这临界击穿点上，反向电阻降低到一个很小的数值，在这个低阻区中电流增加而电压则保持恒定。

雪崩二极管是在外加电压作用下可以产生高频振荡的晶体管。利用雪崩击穿对晶体注入载流子，因载流子渡越晶片需要一定的时间，所以其电流滞后于电压，出现延迟时间，若适当地控制渡越时间，那么，在电流和电压关系上就会出现负阻效应，从而产生高频振荡。

NO.6 热击穿是什么？

热击穿的本质是处于电场中的介质，由于其中的介质损耗而产生热量，就是电势能转换为热量，当外加电压足够高时，就可能从散热与发热的热平衡状态转入不平衡状态，若发出的热量比散去的多，介质温度将愈来愈高，直至出现永久性损坏，这就是热击穿。

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