關(guān)于和諧號(hào)動(dòng)車組內(nèi)端門門控器死區(qū)時(shí)間故障的研究

孫會(huì)志 暴長春 陳郁

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島 266000）

0. 引言

在國內(nèi)交通領(lǐng)域科技的完善中，動(dòng)車組列車已經(jīng)成為人們出行的主要選擇之一。但在數(shù)量龐大的列車投入使用后，不可避免出現(xiàn)部分部件故障問題，故如何科學(xué)的發(fā)現(xiàn)、分析、解決故障是重中之重。本文以和諧號(hào)動(dòng)車組內(nèi)端門門控器死區(qū)時(shí)間故障為例，講述該故障的分析、解決過程，為其他列車故障的解決提供思路和啟發(fā)。

1. 故障描述

在和諧號(hào)動(dòng)車組運(yùn)行過程中，發(fā)生內(nèi)端門故障8起，殘衛(wèi)門故障1起，具體故障現(xiàn)場(chǎng)及問題描述見表1。

表1 故障現(xiàn)象及問題描述表

2. 部件結(jié)構(gòu)及原理介紹

2.1 車內(nèi)電動(dòng)門結(jié)構(gòu)概述

動(dòng)車組車輛內(nèi)端門采用鐵路車輛成熟可靠的結(jié)構(gòu)，在國內(nèi)已廣泛使用，其具有以下特點(diǎn)：門鎖為雙重閉鎖，安全可靠；門扇采用鋁蜂窩復(fù)合結(jié)構(gòu)，重量輕、強(qiáng)度高、密封性能好、隔音、隔熱；門系統(tǒng)移動(dòng)承載機(jī)構(gòu)簡潔、運(yùn)行阻力小、安裝方便、可靠性高[1]。車內(nèi)電動(dòng)門主要包括門扇、門機(jī)構(gòu)組件，參見圖1。

工作原理：由感應(yīng)開關(guān)（或手動(dòng)開關(guān)）向門控器輸入開/關(guān)門信號(hào)，門控器控制電機(jī)工作實(shí)現(xiàn)門開/關(guān)動(dòng)作。關(guān)鍵部件：車內(nèi)電動(dòng)門。門驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用24V三相無刷直流電機(jī)。門控器，MKQ232-110NC?？刂栖浖?，配套設(shè)計(jì)研發(fā)B.V0101。

2.2 門電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)原理

門控器電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路由CPU發(fā)出PWM控制信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)IC控制6個(gè)分立的MOS管（Q1～Q6）對(duì)電機(jī)的三相繞組順次通電，使電機(jī)定子繞組形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)，如圖2所示。

2.3 軟件控制原理

門控器軟件中關(guān)于電機(jī)控制設(shè)定：采用雙斬波控制的方式控制MOS管動(dòng)作，即在電機(jī)每相工作周期內(nèi)有3個(gè)MOS管工作，上MOS管（QI，Q3，Q5）按一定頻率載波，正下對(duì)稱的MOS管互補(bǔ)載波，斜下MOS管（Q2，Q4，Q6）持續(xù)導(dǎo)通。參見圖2若Q1載波，Q2互補(bǔ)載波，Q4持續(xù)導(dǎo)通。

3. 故障原因分析

3.1 故障件分解

對(duì)失效9個(gè)門控器拆解后進(jìn)行硬件檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，門控器電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中的MOS管失效，失效的功率管為上下兩個(gè)對(duì)稱管，失效MOS管周圍印制板三防漆涂層發(fā)黃（注：三防漆經(jīng)過加熱（溫度超過150℃）后變色形成），MOS管焊盤發(fā)黑的跡象，初步判定MOS管在門控器使用過程中溫度過高，發(fā)生燒損。門控器共采用3組6個(gè)MOS管，拆解后發(fā)現(xiàn)9個(gè)門控器燒損MOS管位置不同，但均為上下相對(duì)的MOS管。

3.2 故障件失效原因排查（分解驗(yàn)證）

造成MOS管失效原因除產(chǎn)品自身質(zhì)量、組裝工藝不良外，使用過程中造失效直接原因包括過壓、過流和過溫3種原因；為準(zhǔn)確判定此次門控器MOS失效的根本原因，分別從MOS管選型及質(zhì)量、門控器MOS管組裝工藝質(zhì)量控制、MOS相關(guān)控制軟件參數(shù)設(shè)置3個(gè)方面進(jìn)行檢查分析。

3.2.1 MOS管選型及質(zhì)量排查

此門控器MOS管型號(hào)為IRF2807，相關(guān)參數(shù)如：耐壓Vdss=75V；內(nèi)阻Rds（on）=9.4mΩ；漏極電流Id=75A；最高結(jié)溫175℃。

選型驗(yàn)證：通過實(shí)際測(cè)試內(nèi)門門控器中MOS管實(shí)際的工作電壓為24V，工作電流通常為（0～6）A，最高不超過8A（電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)電流值最大6A～8A），按電壓24V、電流8A對(duì)MOS管降額計(jì)算，電壓降額幅值為32%，電流降額幅值為10.7%；對(duì)比“GJBZ35-93.中華人民共和國國家軍用標(biāo)準(zhǔn)元器件降額準(zhǔn)則”[2]中關(guān)于晶體管降額的規(guī)定，符合最高等級(jí)I類降額的標(biāo)準(zhǔn)，故可排除MOS管選型不符實(shí)際需求問題。

3.2.2 門控器MOS管組裝工藝及質(zhì)量控制排查

（1）組裝工藝控制：門控器電路板MOS組裝在康尼的SMT自動(dòng)化生產(chǎn)線上完成電路板組裝，生產(chǎn)線從2010年開始投入使用以來，通過法國ALSTOM的審核，生產(chǎn)線一直在穩(wěn)定生產(chǎn)。此生產(chǎn)線校核保養(yǎng)周期為日檢，追溯維護(hù)記錄，無問題。故可排除生產(chǎn)制造過程MOS管組裝工藝缺陷。（2）質(zhì)量控制：每個(gè)門控器電路板組裝完成后，均需進(jìn)行功能測(cè)試（基本電氣性能、基本功能測(cè)試），然后進(jìn)行清潔，涂覆三防漆，再進(jìn)行高溫老化，安裝外殼后再次進(jìn)行功能測(cè)試、絕緣耐壓測(cè)試，燒錄出廠程序后出廠。對(duì)生產(chǎn)檢驗(yàn)的工藝文件、檢驗(yàn)工裝、防靜電措施、老化設(shè)備等進(jìn)行檢查，追溯本項(xiàng)目門控器生產(chǎn)時(shí)的記錄文件，未發(fā)現(xiàn)異常。故可排除門控器質(zhì)量不合格。

3.2.3 門控器控制程序中與MOS相關(guān)參數(shù)設(shè)置排查

門控器控制程序中與MOS管相關(guān)設(shè)定主要有電流限幅值和信號(hào)控制兩項(xiàng)，經(jīng)查實(shí)故障門控器均采用B.V0101版控制程序。

（1）電流限幅控制：B.V0101版控制程序電流限幅控制極值為8A，經(jīng)測(cè)試MOS管實(shí)際工作電流（0～6）A最大值不超過8A，遠(yuǎn)小于MOS管漏極電流75A，故可排除由于過流導(dǎo)致MOS管失效。（2）信號(hào)控制：B.V0101版控制程序?qū)OS管采用雙斬波信號(hào)控制，單相MOS管（如Q1和Q2）互補(bǔ)載波，參見圖3。

由圖3綜合分析可知，雙斬波控制方式下，上下管動(dòng)作存在過渡（即軟件實(shí)際控制死區(qū)）；當(dāng)MOS管動(dòng)作處于過渡區(qū)間內(nèi)，上下管發(fā)生短暫短路（一周期62us，實(shí)際過渡時(shí)間1us），為此，軟件控制過程中需設(shè)置死區(qū)時(shí)間（死區(qū)時(shí)間無電流），考慮到MOS管器件差異性，程序中設(shè)定死區(qū)時(shí)間應(yīng)大于實(shí)際過渡時(shí)間；對(duì)B.V0101版本控制程（死區(qū)設(shè)定1us）進(jìn)行恒溫臺(tái)架實(shí)驗(yàn)（環(huán)境溫度25℃），持續(xù)8小時(shí)堵轉(zhuǎn)情況下，門控器單相MOS管損壞，拆解后故障現(xiàn)象同故障門控器一樣，即故障復(fù)現(xiàn)；故可判定由于控制程序死區(qū)設(shè)置不足，導(dǎo)致MOS管周期性短暫短路，逐步升溫累積最終導(dǎo)致MOS過溫?fù)p壞。另注：MOS管實(shí)際工作電壓為24V，MOS管耐壓值為75V，故可排除MOS管過壓損壞。

故障分析總結(jié)：導(dǎo)致門控器MOS管失效原因?yàn)殚T控器控制程序中死區(qū)設(shè)定時(shí)間不足，門使用過程中門控器上下MOS管存在周期性短暫短路，導(dǎo)致MOS管發(fā)熱，累計(jì)溫度超過175C時(shí)燒損。

4. 整改措施

（1）升級(jí)軟件：在B.V0101軟件程序基礎(chǔ)上，修改電機(jī)控制死區(qū)時(shí)間，由1us改為4us，升級(jí)軟件版本為B.V0102。經(jīng)對(duì)B.V0101版本控制程代碼檢查發(fā)現(xiàn)，程序死區(qū)設(shè)定時(shí)間為1us，初步判定控制程序死區(qū)設(shè)定存在不足，進(jìn)而對(duì)此門控器MOS管進(jìn)行模擬試驗(yàn)和臺(tái)架測(cè)試。當(dāng)死區(qū)設(shè)定時(shí)間為4us時(shí)，可完全避開MOS管在B.V0101軟件程序基礎(chǔ)上，修改電機(jī)控制死區(qū)時(shí)間[3]。（2）理論計(jì)算：4us死區(qū)占整個(gè)周期（64us）的6%，根據(jù)目前的電流限幅值進(jìn)行計(jì)算，輸出最大電流（8A）需要的最大占空比應(yīng)小于50%，因此死區(qū)時(shí)間設(shè)定4us不影響門控器對(duì)電機(jī)最大電流輸出。（3）臺(tái)架試驗(yàn)：模擬門實(shí)際運(yùn)用狀態(tài)在2個(gè)臺(tái)架上同時(shí)對(duì)1us死區(qū)和4us死區(qū)程序進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，分別在門處于關(guān)到位持續(xù)堵轉(zhuǎn)和連續(xù)自動(dòng)開關(guān)門兩種較惡劣的工作模式下，對(duì)軟件設(shè)置死區(qū)1us和4uS進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，在門控器工作1小時(shí)后MOS管溫度達(dá)到熱平衡，測(cè)試MOS管外殼溫度，比較兩種死區(qū)參數(shù)下MOS管溫升情況，如表2所示。

表2 兩種死區(qū)參數(shù)下MOS管溫升情況

關(guān)到位堵轉(zhuǎn)情況下，MOS管溫升1us死區(qū)是4us死區(qū)MOS管溫升的3.7倍；連續(xù)開關(guān)門情況下，1us死區(qū)MOS管溫升是4us死區(qū)MOS管溫升的2.5倍。

5. 結(jié)語

通過排查分析得出結(jié)論，增大控制軟件死區(qū)設(shè)定值可顯著降低MOS管溫升，提升其工作的可靠性，能夠有效避免門控器正常工作時(shí)MOS管發(fā)生過溫?zé)龘p。