CR400BF型動(dòng)車組充電機(jī)電壓傳感器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化探討

楊江超 陳 玉 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司上海動(dòng)車段

1 問題的提出

2019 年，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組充電機(jī)（CR400BF 充電機(jī)）多次發(fā)生故障，找出故障原因，減少動(dòng)車組因充電機(jī)故障影響鐵路正常運(yùn)營(yíng)尤為重要。本文將對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)合充電機(jī)控制原理，提出優(yōu)化改進(jìn)方案。CR400BF 充電機(jī)故障階段性梳理如表1所示。

表1 充電機(jī)故障統(tǒng)計(jì)表

分析多起充電機(jī)故障數(shù)據(jù)，故障數(shù)據(jù)均如圖1 所示。故障發(fā)生前模擬量采集異常，充電機(jī)無法采集到正常的電壓值和電流值，導(dǎo)致 PWM 控制脈寬變大，最終發(fā)生 IGBT 過流故障停機(jī)。

圖1 CR400BF-A-506309 車充電機(jī)異常數(shù)據(jù)圖

2 充電機(jī)內(nèi)部控制原理

由圖2 可知，充電機(jī)內(nèi)部由 PM1 和 PM2 兩個(gè)充電單元并聯(lián)構(gòu)成，分別對(duì)應(yīng)司機(jī)顯示屏的 1#充電機(jī)和 2#充電機(jī)，充電單元有各自獨(dú)立的控制器進(jìn)行邏輯控制和故障保護(hù)，PM1/PM2 IGBT 故障由 PM1/PM2 模塊控制器和驅(qū)動(dòng)板檢測(cè)，驅(qū)動(dòng)板對(duì) IGBT 狀態(tài)及驅(qū)動(dòng)電壓進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)檢測(cè)到IGBT 短路、過流或者欠壓時(shí)，反饋故障信號(hào)給控制器，控制器進(jìn)行 IGBT 故障報(bào)警，隨后系統(tǒng)故障停機(jī)。功率模塊PM1/PM2 各擁有一套傳感器供電回路，由電源板上電源模塊產(chǎn)生，負(fù)責(zé)給傳感器提供穩(wěn)定供電電源。當(dāng)傳感器系統(tǒng)的供電產(chǎn)生（電源模塊）、供電傳輸或供電負(fù)載（傳感器）任一方出問題時(shí)，均可能導(dǎo)致傳感器系統(tǒng)功能失效，使得充電機(jī)主控板無法正常 PWM 控制，發(fā)生 IGBT 故障。

圖2 CR400BF 充電機(jī) IGBT 控制電路及傳感器供電回路

3 調(diào)查試驗(yàn)及原因分析

3.1 調(diào)查研究

充電機(jī)傳感器供電回路失效，可能故障點(diǎn)為供電產(chǎn)生（電源模塊）、供電傳輸或供電負(fù)載（傳感器），從以上3個(gè)方面分別進(jìn)行試驗(yàn)，確定故障原因。

通過驗(yàn)證充電機(jī)電源模塊功率的試驗(yàn)，以及電源模塊表面溫度的試驗(yàn)，表明電源模塊輸出的電壓功率等電氣參數(shù)均正常，且滿載運(yùn)行時(shí)電源模塊的溫度在正常范圍內(nèi)，排除電源模塊異常的情況。

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)供電線路的檢查，外觀完好，傳輸線路的導(dǎo)通絕緣測(cè)試也良好，說明傳感器供電系統(tǒng)傳輸線路正常。

在供電負(fù)載（傳感器）試驗(yàn)中，中間電壓傳感器拆解后，觀察發(fā)現(xiàn)傳感器隔離及電流放大電路部分器件有發(fā)黑跡象，達(dá)林頓管D9 表面明顯發(fā)黑，如圖3 所示，更換傳感器后重新上電故障消除。

圖3 充電機(jī)中間電壓傳感器拆解圖

圖4為充電機(jī)電壓采集原理示意圖。黃框部分為電壓傳感器內(nèi)部原理示意。如圖中所示，電源板上電源模塊輸出±15 V 為充電機(jī)傳感器供電。

圖4 CR400BF 充電機(jī)電壓采集原理示意圖

圖5 電壓信號(hào)轉(zhuǎn)電流信號(hào)簡(jiǎn)要原理示意圖

電壓傳感器有兩個(gè)對(duì)外接口，接口X2 為高壓信號(hào)接口，接口X1 為低壓信號(hào)傳輸及供電接口。高壓側(cè)采集電壓信號(hào)經(jīng)高壓處理電路及隔離放大電路后輸出電流信號(hào)IM，主控板采集電路將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，最終由控制器完成電壓采集。傳感器內(nèi)高壓處理電路的作用是將高功率高電壓等級(jí)的信號(hào)轉(zhuǎn)換為低功率低電壓等級(jí)的信號(hào)。通過多級(jí)運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)隔離。達(dá)林頓管D8/D9 為電流放大組件，負(fù)責(zé)將微弱電壓信號(hào)放大為電流信號(hào)。如圖5 所示，三極管工作在放大區(qū)，+15 V 給三極管提供能量，實(shí)現(xiàn)電流放大功能。輸出發(fā)射極電流Ie=gm×Vb，其中g(shù)m 為互導(dǎo)增益。電壓轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，可增強(qiáng)信號(hào)的傳輸功率和抗干擾能力，保證主控板接收到穩(wěn)定采集信號(hào)。

圖4 所示，采集正向電壓，D8 一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，由+15 V 為放大電路供電。D9 受干擾誤導(dǎo)通時(shí)，D8/D9 直通導(dǎo)致傳感器供電系統(tǒng)±15 V 短路，傳感器采集失效，控制器接收到異常數(shù)據(jù)，實(shí)際采集量與給定量差值變大，充電機(jī)閉環(huán)調(diào)節(jié)增大PMW 控制脈寬，以期望減小采集量與給定量差值，最終發(fā)生 綜上所述，通過對(duì)電源模塊、供電傳輸線路及傳感器內(nèi)部供電分別進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)傳感器內(nèi)部供電回路受干擾失效是故障發(fā)生的根本原因。

3.2 原因分析

CR400BF-A-509208 車報(bào)故障代碼4495（充電機(jī)故障）、4401（充電機(jī) IGBT 故障），車組回庫后發(fā)現(xiàn)充電機(jī)電壓傳感器2TV3 及2TV4 內(nèi)器件燒毀，且功率模塊中整流二極管D3及電阻R9 失效。而二極管吸收電路與高壓信號(hào)諧波有直接關(guān)系。CR400BF充電機(jī)高頻整流二極管兩端吸收電路為 RC串聯(lián)電路，其功能是吸收二極管兩端電壓尖峰。失效后中間電壓及輸出電壓的諧波含量會(huì)明顯增大，二極管電壓尖峰變大，壽命縮短。RC具體位置見圖6所示。

圖6 CR400BF 充電機(jī)原理拓?fù)鋱D示

圖7 為 CR400BF 充電機(jī)輸出電壓紋波圖示。（a）為 RC 電路正常，滿載運(yùn)行，輸出電壓紋波有效值為0.764 mV，峰峰值為 4.56 V。（b）為1 路RC 失效，滿載運(yùn)行，輸出電壓紋波有效值為2.15 V，峰峰值為68.4 V。對(duì)比可知，當(dāng)充電機(jī)1 路RC失效后，會(huì)導(dǎo)致輸出電壓波形諧波含量變高。

充電機(jī)內(nèi)電壓傳感器為高壓信號(hào)及低壓信號(hào)連接器件，當(dāng)充電機(jī)整流二極管兩端吸收電阻R 失效時(shí)，高壓信號(hào)波形異常（幅值變大），傳感器內(nèi)濾波電路可能無法完全吸收，以致傳感器易受干擾而發(fā)生IGBT故障。

4 結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)

4.1 優(yōu)化傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

達(dá)林頓管D9 的作用是為傳感器采集負(fù)壓，提供-15V 通路，四方所原始設(shè)計(jì)中保留D8/D9，是參考經(jīng)典電路，使傳感器既能采集正壓也能采集負(fù)壓。而四方所充電機(jī)傳感器（中間電壓、輸出電壓）均為正壓，中間電壓為DC500V，輸出電壓為DC110V，傳感器內(nèi)僅D8工作，D9不工作。通過研究調(diào)查，發(fā)現(xiàn)達(dá)林頓管D9易受干擾誤導(dǎo)通，從而導(dǎo)致故障發(fā)生。

所以，在傳感器的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，將不工作且易誤導(dǎo)通的達(dá)林頓管D9 拆除，形成新品電壓傳感器。優(yōu)化改進(jìn)后，可以增強(qiáng)傳感器抗干擾性。

4.2 更換耐沖擊性電阻

在RC 吸收電路中，電阻需要具備較強(qiáng)耐沖擊性能，所以，充電機(jī)電壓傳感器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化需要更換耐沖擊性電阻。在原設(shè)計(jì)中，使用的是HXP200-1 電阻，其電阻漿料為普通漿料。優(yōu)化更換后使用HXP200-1-I-U 電阻，其電阻漿料采用脈沖型漿料。二者對(duì)比如下：

HXP200-1-I-U 膜層尺寸：17mmx14mm=238 mm2（不允許打磨）

瓷片尺寸：21mmx19.5mm=409.5 mm2

HXP200-1 膜層尺寸：16mmx12mm-14mm2=192 mm2（另有約14mmx1mm打磨區(qū)域，用于調(diào)整阻值）

瓷片尺寸：21mmx19mm=399 mm2

恒定負(fù)載功率：散熱器溫度低于85℃，標(biāo)稱功率均為200 W(決定因素為瓷片尺寸)，HXP200-1-I-U 最大功率略大于 HXP200-1，約提高 1%。

抗脈沖能力：HXP200-1-I-U 較HXP200-1 脈沖能力約提高40%以上

脈沖能力主要取決于電阻中，電阻成分的熱容量。在預(yù)充過程的短時(shí)間內(nèi)，吸收較大熱量后，電阻成分的溫升需要在電阻成分的穩(wěn)定范圍內(nèi)。

（1）脈沖型漿料比熱容較普通漿料提高約 20%

（2）膜層面積，HXP200-1-I-U 較 HXP200-1 增大了約 24% 即整體抗脈沖能力增強(qiáng)約：1.2x1.24=1.488，整體評(píng)估提高 40%以上。

5 方案驗(yàn)證與總結(jié)

本次優(yōu)化傳感器設(shè)計(jì)，切斷傳感器內(nèi)易受干擾回路，拆除冗余達(dá)林頓管D9，保證傳感器可靠工作；同時(shí)，更換RC 吸收回路中的電阻為耐沖擊型電阻。更換優(yōu)化的新品傳感器，在復(fù)現(xiàn)故障的樣機(jī)上進(jìn)行相關(guān)性能試驗(yàn)，包括啟動(dòng)試驗(yàn)、重啟動(dòng)試驗(yàn)、保護(hù)試驗(yàn)、靜態(tài)電壓試驗(yàn)、總輸出限流試驗(yàn)、充電模式切換試驗(yàn)、輸入電壓突變?cè)囼?yàn)、負(fù)載中斷試驗(yàn)、負(fù)載調(diào)節(jié)試驗(yàn)、供電短時(shí)中斷試驗(yàn)。按照例行試驗(yàn)及型式試驗(yàn)要求，所有項(xiàng)點(diǎn)均滿足要求。