CR400BF型動車組充電機電壓傳感器結構的優化探討

楊江超 陳 玉 中國鐵路上海局集團有限公司上海動車段

1 問題的提出

2019 年，中國標準動車組充電機（CR400BF 充電機）多次發生故障，找出故障原因，減少動車組因充電機故障影響鐵路正常運營尤為重要。本文將對故障數據進行分析，結合充電機控制原理，提出優化改進方案。CR400BF 充電機故障階段性梳理如表1所示。

表1 充電機故障統計表

分析多起充電機故障數據，故障數據均如圖1 所示。故障發生前模擬量采集異常，充電機無法采集到正常的電壓值和電流值，導致 PWM 控制脈寬變大，最終發生 IGBT 過流故障停機。

圖1 CR400BF-A-506309 車充電機異常數據圖

2 充電機內部控制原理

由圖2 可知，充電機內部由 PM1 和 PM2 兩個充電單元并聯構成，分別對應司機顯示屏的 1#充電機和 2#充電機，充電單元有各自獨立的控制器進行邏輯控制和故障保護，PM1/PM2 IGBT 故障由 PM1/PM2 模塊控制器和驅動板檢測，驅動板對 IGBT 狀態及驅動電壓進行監控，當檢測到IGBT 短路、過流或者欠壓時，反饋故障信號給控制器，控制器進行 IGBT 故障報警，隨后系統故障停機。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生，負責給傳感器提供穩定供電電源。當傳感器系統的供電產生（電源模塊）、供電傳輸或供電負載（傳感器）任一方出問題時，均可能導致傳感器系統功能失效，使得充電機主控板無法正常 PWM 控制，發生 IGBT 故障。

圖2 CR400BF 充電機 IGBT 控制電路及傳感器供電回路

3 調查試驗及原因分析

3.1 調查研究

充電機傳感器供電回路失效，可能故障點為供電產生（電源模塊）、供電傳輸或供電負載（傳感器），從以上3個方面分別進行試驗，確定故障原因。

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

對現場供電線路的檢查，外觀完好，傳輸線路的導通絕緣測試也良好，說明傳感器供電系統傳輸線路正常。

在供電負載（傳感器）試驗中，中間電壓傳感器拆解后，觀察發現傳感器隔離及電流放大電路部分器件有發黑跡象，達林頓管D9 表面明顯發黑，如圖3 所示，更換傳感器后重新上電故障消除。

圖3 充電機中間電壓傳感器拆解圖

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

圖4 CR400BF 充電機電壓采集原理示意圖

圖5 電壓信號轉電流信號簡要原理示意圖

電壓傳感器有兩個對外接口，接口X2 為高壓信號接口，接口X1 為低壓信號傳輸及供電接口。高壓側采集電壓信號經高壓處理電路及隔離放大電路后輸出電流信號IM，主控板采集電路將電流信號轉化為電壓信號，最終由控制器完成電壓采集。傳感器內高壓處理電路的作用是將高功率高電壓等級的信號轉換為低功率低電壓等級的信號。通過多級運算放大器實現隔離。達林頓管D8/D9 為電流放大組件，負責將微弱電壓信號放大為電流信號。如圖5 所示，三極管工作在放大區，+15 V 給三極管提供能量，實現電流放大功能。輸出發射極電流Ie=gm×Vb，其中gm 為互導增益。電壓轉換為電流信號，可增強信號的傳輸功率和抗干擾能力，保證主控板接收到穩定采集信號。

圖4 所示，采集正向電壓，D8 一直處于導通狀態，由+15 V 為放大電路供電。D9 受干擾誤導通時，D8/D9 直通導致傳感器供電系統±15 V 短路，傳感器采集失效，控制器接收到異常數據，實際采集量與給定量差值變大，充電機閉環調節增大PMW 控制脈寬，以期望減小采集量與給定量差值，最終發生 綜上所述，通過對電源模塊、供電傳輸線路及傳感器內部供電分別進行試驗，發現傳感器內部供電回路受干擾失效是故障發生的根本原因。

3.2 原因分析

CR400BF-A-509208 車報故障代碼4495（充電機故障）、4401（充電機 IGBT 故障），車組回庫后發現充電機電壓傳感器2TV3 及2TV4 內器件燒毀，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諧波有直接關系。CR400BF充電機高頻整流二極管兩端吸收電路為 RC串聯電路，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 充電機原理拓撲圖示

圖7 為 CR400BF 充電機輸出電壓紋波圖示。（a）為 RC 電路正常，滿載運行，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，滿載運行，輸出電壓紋波有效值為2.15 V，峰峰值為68.4 V。對比可知，當充電機1 路RC失效后，會導致輸出電壓波形諧波含量變高。

充電機內電壓傳感器為高壓信號及低壓信號連接器件，當充電機整流二極管兩端吸收電阻R 失效時，高壓信號波形異常（幅值變大），傳感器內濾波電路可能無法完全吸收，以致傳感器易受干擾而發生IGBT故障。

4 結構的優化改進

4.1 優化傳感器內部結構

達林頓管D9 的作用是為傳感器采集負壓，提供-15V 通路，四方所原始設計中保留D8/D9，是參考經典電路，使傳感器既能采集正壓也能采集負壓。而四方所充電機傳感器（中間電壓、輸出電壓）均為正壓，中間電壓為DC500V，輸出電壓為DC110V，傳感器內僅D8工作，D9不工作。通過研究調查，發現達林頓管D9易受干擾誤導通，從而導致故障發生。

所以，在傳感器的優化設計中，將不工作且易誤導通的達林頓管D9 拆除，形成新品電壓傳感器。優化改進后，可以增強傳感器抗干擾性。

4.2 更換耐沖擊性電阻

在RC 吸收電路中，電阻需要具備較強耐沖擊性能，所以，充電機電壓傳感器結構的優化需要更換耐沖擊性電阻。在原設計中，使用的是HXP200-1 電阻，其電阻漿料為普通漿料。優化更換后使用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打磨區域，用于調整阻值）

瓷片尺寸：21mmx19mm=399 mm2

恒定負載功率：散熱器溫度低于85℃，標稱功率均為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。在預充過程的短時間內，吸收較大熱量后，電阻成分的溫升需要在電阻成分的穩定范圍內。

（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約：1.2x1.24=1.488，整體評估提高 40%以上。

5 方案驗證與總結

本次優化傳感器設計，切斷傳感器內易受干擾回路，拆除冗余達林頓管D9，保證傳感器可靠工作；同時，更換RC 吸收回路中的電阻為耐沖擊型電阻。更換優化的新品傳感器，在復現故障的樣機上進行相關性能試驗，包括啟動試驗、重啟動試驗、保護試驗、靜態電壓試驗、總輸出限流試驗、充電模式切換試驗、輸入電壓突變試驗、負載中斷試驗、負載調節試驗、供電短時中斷試驗。按照例行試驗及型式試驗要求，所有項點均滿足要求。