HXD2型機(jī)車 TCU電源板故障的原因分析與探討

羅偉濤

(中國(guó)鐵路呼和浩特局集團(tuán)有限公司 包頭西機(jī)務(wù)段，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

1 問(wèn)題描述

2020年經(jīng)統(tǒng)計(jì)HXD2機(jī)車報(bào)出牽引水壓異常，模塊驅(qū)動(dòng)故障等問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)互換TCU的ALCA電源板，出現(xiàn)故障轉(zhuǎn)移的情況，故確認(rèn)是電源板問(wèn)題造成的故障。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)返回的4塊ALCA電源板卡(編號(hào)分別為300428、300479、4E0004、4E0038)進(jìn)行了詳細(xì)的試驗(yàn)測(cè)試。發(fā)現(xiàn)編號(hào)為2300479的板卡在輸出滿載(24V/4A，-24/2A)通電老化過(guò)程中出現(xiàn)無(wú)輸出失效，經(jīng)過(guò)多次上電驗(yàn)證，確認(rèn)該電源板內(nèi)的開機(jī)控制電路沒(méi)有正常工作，排查故障器件發(fā)現(xiàn)Q5(貼片MOS管/ST/STD4NK50ZT4/500V，3A，2.4Ω，DPAK)失效。同時(shí)為了確認(rèn)電源板對(duì)TCU故障的影響，對(duì)2018年-2020年配屬的新八軸機(jī)車TCU故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

表1

TCU總故障率統(tǒng)計(jì)

根據(jù)上述故障的統(tǒng)計(jì)了如下情況：①可以看出電源板的故障占TCU總故障的比例為9.24%。同時(shí)按照每臺(tái)車8個(gè)TCU，每個(gè)TCU有3塊電源板，結(jié)合運(yùn)用的機(jī)車總數(shù)，算出TCU電源板造成的故障率為0.81%。故障率相對(duì)較低。②根據(jù)實(shí)際情況6月—8月電源板故障較多，冬季時(shí)故障較少。

針對(duì)電源板返修的情況，維修的更換件情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，可以看出Q5和U6器件的損壞相對(duì)較多。通過(guò)電源板的測(cè)試結(jié)果和故障統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，電源板故障在TCU相關(guān)故障中的占比很低，但是在電源板故障中Q5和U6損壞的占比較相對(duì)較高，故后續(xù)針對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)分析。

2 原因分析

2.1 理論分析及計(jì)算

Q5和U6屬于ALCA電源板的開機(jī)控制電路部分，由于HXD2機(jī)車的ALCA板卡沿用了HXD2B機(jī)車的ALCA板卡的設(shè)計(jì)。HXD2B的ALCA板卡在ALSTOM的設(shè)計(jì)要求中，有上電時(shí)序的要求，故需要設(shè)計(jì)專門的開機(jī)電路。HXD2B機(jī)車上的TCU有兩組110V電源輸入，一組是作為控制電源，一組作為控制電源啟停的使能信號(hào)，是兩組不同的電源信號(hào)，并且具有上電時(shí)序，開機(jī)電路的設(shè)計(jì)就是為了接收到電源的使能信號(hào)后，才控制電源板運(yùn)行控制電源部分工作，電源板才能正常輸出。HXD2機(jī)車的TCU為自主設(shè)計(jì)，每個(gè)TCU包括兩個(gè)ALCA板卡，一個(gè)用于給驅(qū)動(dòng)板供電，一個(gè)用于給傳感器供電，應(yīng)用場(chǎng)景與HXD2B機(jī)車不同。實(shí)際工作中，電源板的使能信號(hào)和供電電源是通過(guò)變流柜內(nèi)部一組電源分配出來(lái)的，與HXD2B不同，HXD2B是使用兩組不同的電源，HXD2機(jī)車的電源使能和供電電源同時(shí)動(dòng)作，沒(méi)有時(shí)序的先后順序，故HXD2機(jī)車對(duì)ALCA電源板并不存在開機(jī)時(shí)序的要求。

開機(jī)控制電路為恒流電路，是為了可以兼容48V～110V的全電壓范圍，DMA供電使能信號(hào)與110V控制電源均由蓄電池給出。圖1中，電源板正常通電后，電源一直處于待機(jī)狀態(tài)，待DMA信號(hào)端有電壓進(jìn)入，則Q5導(dǎo)通，進(jìn)一步導(dǎo)致U6B工作，則后面的電源模塊開始工作。輸入電源恢復(fù)到正常工作狀態(tài)，輸出電壓建立。

圖1 開機(jī)控制電路示意圖

當(dāng)Q5器件失效時(shí)將會(huì)導(dǎo)致光耦U6無(wú)法正常開通，從而導(dǎo)致電源板內(nèi)的模塊開機(jī)電平一直為低電平信號(hào)，模塊此時(shí)處于關(guān)機(jī)狀態(tài)，導(dǎo)致整機(jī)無(wú)電壓輸出。

圖2中的U6A是U6光耦的輸出部分，在開機(jī)部分的Q5導(dǎo)通后，U6就會(huì)導(dǎo)通，則U6A導(dǎo)通，Q1導(dǎo)通，則此時(shí)相連的P1就會(huì)被拉低。

圖2 開機(jī)控制電路原理

ZD4為穩(wěn)壓管，HV為輸入的110V電壓，當(dāng)輸入的電壓經(jīng)過(guò)ZD4后，將電壓鉗住，為后續(xù)電路供電。

圖3中，電源模塊的PC腳為開機(jī)使能腳，當(dāng)PC腳為高電平時(shí)，電源模塊開機(jī)，低電平時(shí)，電源模塊停機(jī)。當(dāng)輸入110V電壓正常后，P1腳為高電平，此時(shí)三極管Q7，Q10正常開通，電源模塊的PC腳被拉低，為低電平，則模塊此時(shí)無(wú)輸出，輸出電壓也無(wú)法建立。 當(dāng)開機(jī)控制電路通電工作正常后，將P1的電平拉低，則Q7、Q10不導(dǎo)通，電源模塊的PC腳被放開，變?yōu)楦唠娖剑瑒t模塊可以正常使能工作，即使得模塊可以將輸入電壓轉(zhuǎn)換為輸出電壓，給負(fù)載的設(shè)備供電。

圖3 電源模塊原理

通過(guò)對(duì)開機(jī)控制電路原理分析，DMA信號(hào)為開機(jī)信號(hào)，接輸入電壓DC110V。當(dāng)DMA輸入給定后，Q5導(dǎo)通，U6導(dǎo)通，開機(jī)控制電路中的Q5一直工作在放大區(qū)，Q5由于要適應(yīng)寬范圍的輸入電壓并保持恒流模式，在工作時(shí)始終處于放大區(qū)，發(fā)熱會(huì)較為嚴(yán)重。電路中Q5的G極電壓為15V，因ZD8為15V的穩(wěn)壓管將G極電壓穩(wěn)定在15V，G極門限電壓為4.5V左右。R13兩端電壓即Vs電壓為15V-4.5V=10.5V，那么流過(guò)MOS管Q5中的電流為10.5V/5.1K，電流為2mA左右。

理論計(jì)算MOS管Q5的損耗(為方便計(jì)算，電壓值取整計(jì)算)。

當(dāng)輸入端的電壓為110V時(shí)，MOS管Q5的VDS兩端電壓為110V-10V=100V，MOS管的損耗為P=U*I=100*0.002=0.2W。

當(dāng)輸入端的電壓為137.5V時(shí)，MOS管Q5的VDS兩端電壓為137.5V-10V=127.5V，MOS管的損耗為P=U*I=127.5*0.002=0.25W。

2.2 試驗(yàn)測(cè)試

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋，ALCA電源板在實(shí)際使用中的環(huán)境溫度部分情況下會(huì)比70℃的環(huán)境要高，實(shí)際測(cè)試Q5、U6器件的溫度最高達(dá)到118.9℃(輸入137.5VDC，環(huán)境溫度70℃)。針對(duì)此情況補(bǔ)充ALCA電源板在低壓69V和額定110V下的常溫26℃，高溫70℃下的發(fā)熱器件的溫度測(cè)試結(jié)果。在電路板上利用溫度巡檢儀測(cè)試ZD4的工作溫度，經(jīng)過(guò)測(cè)試確認(rèn)ZD4的溫度為102.9℃。對(duì)比前面測(cè)試的Q5在70℃滿載時(shí)的溫度已經(jīng)達(dá)到118.9℃，U6溫度106℃，均高于ZD4的溫度，故此區(qū)域溫度最高的還是開機(jī)電路部分的Q5，其他器件基本是受其影響而發(fā)熱。

2.3 分析意見

開機(jī)電路部分設(shè)計(jì)是沿用HXD2B的要求，在HXD2機(jī)車開機(jī)電路部分并無(wú)作用，TCU并未使用該功能，直接通電后即可輸出，不存在開機(jī)時(shí)序判斷。而在實(shí)際運(yùn)行中，由于外部環(huán)境溫度較高，可能會(huì)存在超過(guò)70℃設(shè)計(jì)溫度的時(shí)刻，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，隨著環(huán)境溫度升高，Q5和U6也會(huì)逐步發(fā)熱，就會(huì)導(dǎo)致周圍器件的溫度也逐步升高。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)在滿載137V電壓輸入的情況下，Q5的表面溫度接近120℃，溫度快要接近芯片的溫度上限150℃，會(huì)對(duì)芯片壽命造成影響，進(jìn)而ALCA電源板在長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)的穩(wěn)定性會(huì)降低。鑒于此電路在HXD2機(jī)車上的作用不明顯，而且實(shí)際運(yùn)用中的環(huán)境溫度較高，可能會(huì)引起Q5和U6持續(xù)發(fā)熱，故考慮對(duì)此電路進(jìn)行優(yōu)化。

3 優(yōu)化措施

針對(duì)上述分析做出如下優(yōu)化更改措施：①在HXD2機(jī)車開機(jī)電路中，將開機(jī)控制電路中的光耦U6去掉，同時(shí)將光耦U6的次級(jí)短路，則開機(jī)電路部分的輸出斷開，同時(shí)U6保持為通路，則P1會(huì)一直保持為低電平的狀態(tài)。②將開機(jī)控制電路中的L5去掉，則整個(gè)開機(jī)電路部分與電源斷開，不工作則不會(huì)持續(xù)發(fā)熱。去掉的器件示意如圖4。

(a)

4 結(jié)論

①經(jīng)過(guò)理論分析以及試驗(yàn)驗(yàn)證，ALCA電源板開機(jī)電路的優(yōu)化，可以有效地降低原電路的發(fā)熱情況，減少因Q5、U6器件引起的電源板故障。②電源板的故障占TCU總故障的比例為9.24%。同時(shí)按照每臺(tái)車8個(gè)TCU，每個(gè)TCU有3塊電源板，結(jié)合運(yùn)用的機(jī)車總數(shù)，算出TCU電源板造成的故障率為0.81%。故障率相對(duì)較低，優(yōu)化后可持續(xù)觀察。③ALCA電源板優(yōu)化改造后的電源性能與優(yōu)化前的性能一致，優(yōu)化方案有效。