高壓電源FMECA分析及其EMC測(cè)試技術(shù)研究

李菊 談小虎 楊麗穎 邵鄂

摘 要：對(duì)高壓電源的主要組成及功能進(jìn)行了介紹，結(jié)合高壓電源供電任務(wù)可靠性框圖，利用危害性矩陣分析與風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)定性和定量分析，完成了綜合FMECA分析表，確定了高壓電源的關(guān)鍵部件與關(guān)鍵故障模式。高壓電源的關(guān)鍵故障模式為控制系統(tǒng)無(wú)輸出或輸出不穩(wěn)，結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的強(qiáng)電磁工作環(huán)境，給出了EMC測(cè)試要求，并針對(duì)測(cè)試結(jié)果對(duì)關(guān)鍵部件提出了加裝EMI濾波器、壓敏電阻或浪涌防護(hù)模塊等優(yōu)化措施，以確保高壓電源在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下，能以最優(yōu)異的工作狀態(tài)保障生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：高壓電源;FMECA分析;關(guān)鍵故障模式;EMC測(cè)試

中圖分類號(hào)：TM937.3? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2022）10-0085-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.10.023

0? ? 引言

當(dāng)考慮到專用系統(tǒng)的生產(chǎn)效率時(shí)，供電電源的可靠性水平至關(guān)重要。FMECA分析最重要的是盡量找到可能出現(xiàn)的故障模式，針對(duì)故障模式，分析發(fā)生原因，再對(duì)故障模式所具有的影響進(jìn)行判別，了解其產(chǎn)生后果，并針對(duì)檢測(cè)手段進(jìn)行分析，最終給出設(shè)計(jì)改進(jìn)和補(bǔ)償?shù)拇胧?。同時(shí)，為驗(yàn)證設(shè)備在壽命周期內(nèi)可能遇到的各種環(huán)境作用下能否實(shí)現(xiàn)其所有預(yù)定功能和性能，需要進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，需要對(duì)此設(shè)備進(jìn)行功能、性能和工作狀態(tài)等檢測(cè)或監(jiān)視，F(xiàn)MECA識(shí)別的故障模式及相應(yīng)的檢測(cè)方法可為這種檢測(cè)或監(jiān)視的完備性評(píng)價(jià)提供支撐[1]。

1? ? 高壓電源

高壓電源作為專用系統(tǒng)的供電設(shè)備，其主要由配電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)等部分組成。其中，配電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)供電指示、啟停、急停、控制系統(tǒng)和供電模塊的供電;控制系統(tǒng)作為高壓電源的核心部件，能實(shí)現(xiàn)三路電壓的濾波、逆變和整流過程，同時(shí)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)電源的整機(jī)控制及冷卻控制;水冷系統(tǒng)保證了整機(jī)的散熱。在整個(gè)系統(tǒng)回路中，主高壓電源為正接地負(fù)高壓輸出，副高壓電源正極接在主高壓電源負(fù)極上，燈絲電源一端懸浮接在副高壓電源的負(fù)極上。如此搭接方式，使高壓電源的三路電源都是高壓。

高壓電源組成框圖如圖1所示。

2? ? 高壓電源FMECA分析

FMECA包括故障模式及影響分析（FMEA）和危害性分析（CA）兩部分。FMECA最重要的是盡量找到可能出現(xiàn)的故障模式，針對(duì)故障模式，分析發(fā)生原因，再對(duì)故障模式所具有的影響進(jìn)行判別，了解其產(chǎn)生后果，并針對(duì)檢測(cè)手段進(jìn)行分析，最終給出設(shè)計(jì)改進(jìn)和補(bǔ)償措施[2]。

大功率高壓電源的各組成部分都為保證電源正常開機(jī)不可缺少的部分，其中有任何一個(gè)部件發(fā)生故障，則整個(gè)電源就不能正常工作，因此，各組成部分之間為串聯(lián)的邏輯關(guān)系，根據(jù)大功率高壓電源的結(jié)構(gòu)組成可得到其任務(wù)可靠性框圖，如圖2所示。

根據(jù)高壓電源供電任務(wù)可靠性框圖及試驗(yàn)的實(shí)際記錄情況，在確定了系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)、功能，定義了故障模式的嚴(yán)酷度、故障模式發(fā)生概率等級(jí)、故障模式不可探測(cè)度等級(jí)后，對(duì)系統(tǒng)按層次逐層梳理，填寫綜合FMECA表，如表1所示。

利用上述指標(biāo)，結(jié)合收集信息，確定了高壓電源的薄弱環(huán)節(jié)及其故障模式，如表2所示。

綜合系統(tǒng)級(jí)FMECA的RPN分析可知，高壓電源風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)最高的故障模式（風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)為12）排較后位置，因此，其故障模式的優(yōu)先等級(jí)也不占專用系統(tǒng)的重要位置，這主要是高壓電源的故障不會(huì)導(dǎo)致專用系統(tǒng)出現(xiàn)安全級(jí)事故，其主要影響生產(chǎn)效率。后續(xù)將生產(chǎn)效率放入分析的首要位置，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)高壓電源的故障分析與設(shè)計(jì)優(yōu)化。

3? ? 高壓電源EMC測(cè)試及分析

綜合考慮專用電源的工作環(huán)境，控制系統(tǒng)為高壓電源的敏感部件，很容易受到電磁干擾，結(jié)合試驗(yàn)情況進(jìn)行分析，造成控制系統(tǒng)故障的原因很可能是強(qiáng)電磁環(huán)境帶來的干擾。因此，依據(jù)GB/T 17626開展了電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)和浪涌（沖擊）抗擾度試驗(yàn)。

EFT電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)考核高壓電源的輸入電源端口在受到電快速瞬變脈沖群干擾時(shí)性能是否出現(xiàn)降級(jí)，試驗(yàn)等級(jí)為3級(jí)，開路輸出試驗(yàn)電壓±2 kV，脈沖重復(fù)頻率100 kHz[3]。同時(shí)，采用示波器和高壓探頭監(jiān)測(cè)各路的直流輸出電壓和電壓紋波，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

SURGE浪涌（沖擊）抗擾度試驗(yàn)用于評(píng)估高壓電源的供電電源端口是否能夠承受該類浪涌沖擊，試驗(yàn)等級(jí)為3級(jí)，開路試驗(yàn)電壓線—線±1.0 kV，線—地±2.0 kV[4]。

同時(shí)，采用示波器和高壓探頭監(jiān)測(cè)各路的直流輸出電壓和電壓紋波，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

在SURGE試驗(yàn)中，高壓電源B級(jí)符合要求，其功能、性能暫時(shí)喪失或降低，但在騷擾停止后能自行恢復(fù)，不需要操作者干預(yù)，表明高壓電源會(huì)暫時(shí)性失去功能，也會(huì)在一定程度上影響生產(chǎn)效率。

為避免此故障的復(fù)現(xiàn)，需在控制系統(tǒng)插箱部分采取一定的浪涌保護(hù)措施，如加裝EMI濾波器、壓敏電阻或浪涌防護(hù)模塊[5]等。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)提升高壓電源系統(tǒng)可靠性的需求，采用了FMECA的方法來對(duì)高壓電源的故障模式進(jìn)行分析，并給出了利用FMECA所收集的產(chǎn)品信息，通過危害性矩陣分析與維修性中的風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)分析，給出綜合FMECA表。

利用上述指標(biāo)，結(jié)合收集信息，確定了高壓電源的薄弱環(huán)節(jié)及其故障模式。

結(jié)合高壓電源所處的強(qiáng)電磁干擾工作環(huán)境，開展了抗擾度測(cè)試，并選取其控制系統(tǒng)輸出端作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)試結(jié)果表明，為提高高壓電源的生產(chǎn)效率，還需增加模塊的抗浪涌沖擊能力，以保證高壓電源在強(qiáng)電磁干擾下能持續(xù)無(wú)故障工作。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 康京山.FMECA對(duì)于裝備通用質(zhì)量特性的作用分析[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2020，38（5）：62-66.

[2] 周海京，遇今.故障模式、影響及危害性分析與故障樹分析[M].北京：航空工業(yè)出版社，2003.

[3] 電磁兼容 試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù) 電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)：GB/T 17626.4—2008[S].

[4] 電磁兼容 試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù) 浪涌（沖擊）抗擾度試驗(yàn)：GB/T 17626.5—2008[S].

[5] 朱文立，陳燕，郭遠(yuǎn)東.電子電器產(chǎn)品電磁兼容質(zhì)量控制及設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2015.

收稿日期：2022-02-15

作者簡(jiǎn)介：李菊（1988—），女，河北廊坊人，碩士研究生，工程師，研究方向：專用電源可靠性技術(shù)。