HXD2型機車 TCU電源板故障的原因分析與探討

羅偉濤

(中國鐵路呼和浩特局集團有限公司 包頭西機務段，內蒙古 包頭 014010)

1 問題描述

2020年經統計HXD2機車報出牽引水壓異常，模塊驅動故障等問題，現場互換TCU的ALCA電源板，出現故障轉移的情況，故確認是電源板問題造成的故障。對現場返回的4塊ALCA電源板卡(編號分別為300428、300479、4E0004、4E0038)進行了詳細的試驗測試。發現編號為2300479的板卡在輸出滿載(24V/4A，-24/2A)通電老化過程中出現無輸出失效，經過多次上電驗證，確認該電源板內的開機控制電路沒有正常工作，排查故障器件發現Q5(貼片MOS管/ST/STD4NK50ZT4/500V，3A，2.4Ω，DPAK)失效。同時為了確認電源板對TCU故障的影響，對2018年-2020年配屬的新八軸機車TCU故障進行統計。

表1

TCU總故障率統計

根據上述故障的統計了如下情況：①可以看出電源板的故障占TCU總故障的比例為9.24%。同時按照每臺車8個TCU，每個TCU有3塊電源板，結合運用的機車總數，算出TCU電源板造成的故障率為0.81%。故障率相對較低。②根據實際情況6月—8月電源板故障較多，冬季時故障較少。

針對電源板返修的情況，維修的更換件情況進行了統計，可以看出Q5和U6器件的損壞相對較多。通過電源板的測試結果和故障統計發現，電源板故障在TCU相關故障中的占比很低，但是在電源板故障中Q5和U6損壞的占比較相對較高，故后續針對此問題進行了詳細分析。

2 原因分析

2.1 理論分析及計算

Q5和U6屬于ALCA電源板的開機控制電路部分，由于HXD2機車的ALCA板卡沿用了HXD2B機車的ALCA板卡的設計。HXD2B的ALCA板卡在ALSTOM的設計要求中，有上電時序的要求，故需要設計專門的開機電路。HXD2B機車上的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，是兩組不同的電源信號，并且具有上電時序，開機電路的設計就是為了接收到電源的使能信號后，才控制電源板運行控制電源部分工作，電源板才能正常輸出。HXD2機車的TCU為自主設計，每個TCU包括兩個ALCA板卡，一個用于給驅動板供電，一個用于給傳感器供電，應用場景與HXD2B機車不同。實際工作中，電源板的使能信號和供電電源是通過變流柜內部一組電源分配出來的，與HXD2B不同，HXD2B是使用兩組不同的電源，HXD2機車的電源使能和供電電源同時動作，沒有時序的先后順序，故HXD2機車對ALCA電源板并不存在開機時序的要求。

開機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，電源一直處于待機狀態，待DMA信號端有電壓進入，則Q5導通，進一步導致U6B工作，則后面的電源模塊開始工作。輸入電源恢復到正常工作狀態，輸出電壓建立。

圖1 開機控制電路示意圖

當Q5器件失效時將會導致光耦U6無法正常開通，從而導致電源板內的模塊開機電平一直為低電平信號，模塊此時處于關機狀態，導致整機無電壓輸出。

圖2中的U6A是U6光耦的輸出部分，在開機部分的Q5導通后，U6就會導通，則U6A導通，Q1導通，則此時相連的P1就會被拉低。

圖2 開機控制電路原理

ZD4為穩壓管，HV為輸入的110V電壓，當輸入的電壓經過ZD4后，將電壓鉗住，為后續電路供電。

圖3中，電源模塊的PC腳為開機使能腳，當PC腳為高電平時，電源模塊開機，低電平時，電源模塊停機。當輸入110V電壓正常后，P1腳為高電平，此時三極管Q7，Q10正常開通，電源模塊的PC腳被拉低，為低電平，則模塊此時無輸出，輸出電壓也無法建立。 當開機控制電路通電工作正常后，將P1的電平拉低，則Q7、Q10不導通，電源模塊的PC腳被放開，變為高電平，則模塊可以正常使能工作，即使得模塊可以將輸入電壓轉換為輸出電壓，給負載的設備供電。

圖3 電源模塊原理

通過對開機控制電路原理分析，DMA信號為開機信號，接輸入電壓DC110V。當DMA輸入給定后，Q5導通，U6導通，開機控制電路中的Q5一直工作在放大區，Q5由于要適應寬范圍的輸入電壓并保持恒流模式，在工作時始終處于放大區，發熱會較為嚴重。電路中Q5的G極電壓為15V，因ZD8為15V的穩壓管將G極電壓穩定在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MOS管Q5中的電流為10.5V/5.1K，電流為2mA左右。

理論計算MOS管Q5的損耗(為方便計算，電壓值取整計算)。

當輸入端的電壓為110V時，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。

當輸入端的電壓為137.5V時，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 試驗測試

根據現場反饋，ALCA電源板在實際使用中的環境溫度部分情況下會比70℃的環境要高，實際測試Q5、U6器件的溫度最高達到118.9℃(輸入137.5VDC，環境溫度70℃)。針對此情況補充ALCA電源板在低壓69V和額定110V下的常溫26℃，高溫70℃下的發熱器件的溫度測試結果。在電路板上利用溫度巡檢儀測試ZD4的工作溫度，經過測試確認ZD4的溫度為102.9℃。對比前面測試的Q5在70℃滿載時的溫度已經達到118.9℃，U6溫度106℃，均高于ZD4的溫度，故此區域溫度最高的還是開機電路部分的Q5，其他器件基本是受其影響而發熱。

2.3 分析意見

開機電路部分設計是沿用HXD2B的要求，在HXD2機車開機電路部分并無作用，TCU并未使用該功能，直接通電后即可輸出，不存在開機時序判斷。而在實際運行中，由于外部環境溫度較高，可能會存在超過70℃設計溫度的時刻，根據試驗結果，隨著環境溫度升高，Q5和U6也會逐步發熱，就會導致周圍器件的溫度也逐步升高。經過試驗在滿載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℃，會對芯片壽命造成影響，進而ALCA電源板在長時間工作時的穩定性會降低。鑒于此電路在HXD2機車上的作用不明顯，而且實際運用中的環境溫度較高，可能會引起Q5和U6持續發熱，故考慮對此電路進行優化。

3 優化措施

針對上述分析做出如下優化更改措施：①在HXD2機車開機電路中，將開機控制電路中的光耦U6去掉，同時將光耦U6的次級短路，則開機電路部分的輸出斷開，同時U6保持為通路，則P1會一直保持為低電平的狀態。②將開機控制電路中的L5去掉，則整個開機電路部分與電源斷開，不工作則不會持續發熱。去掉的器件示意如圖4。

(a)

4 結論

①經過理論分析以及試驗驗證，ALCA電源板開機電路的優化，可以有效地降低原電路的發熱情況，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%。同時按照每臺車8個TCU，每個TCU有3塊電源板，結合運用的機車總數，算出TCU電源板造成的故障率為0.81%。故障率相對較低，優化后可持續觀察。③ALCA電源板優化改造后的電源性能與優化前的性能一致，優化方案有效。