關于和諧號動車組內端門門控器死區時間故障的研究

孫會志 暴長春 陳郁

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島 266000）

0. 引言

在國內交通領域科技的完善中，動車組列車已經成為人們出行的主要選擇之一。但在數量龐大的列車投入使用后，不可避免出現部分部件故障問題，故如何科學的發現、分析、解決故障是重中之重。本文以和諧號動車組內端門門控器死區時間故障為例，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。

1. 故障描述

在和諧號動車組運行過程中，發生內端門故障8起，殘衛門故障1起，具體故障現場及問題描述見表1。

表1 故障現象及問題描述表

2. 部件結構及原理介紹

2.1 車內電動門結構概述

動車組車輛內端門采用鐵路車輛成熟可靠的結構，在國內已廣泛使用，其具有以下特點：門鎖為雙重閉鎖，安全可靠；門扇采用鋁蜂窩復合結構，重量輕、強度高、密封性能好、隔音、隔熱；門系統移動承載機構簡潔、運行阻力小、安裝方便、可靠性高[1]。車內電動門主要包括門扇、門機構組件，參見圖1。

工作原理：由感應開關（或手動開關）向門控器輸入開/關門信號，門控器控制電機工作實現門開/關動作。關鍵部件：車內電動門。門驅動電機采用24V三相無刷直流電機。門控器，MKQ232-110NC。控制軟件，配套設計研發B.V0101。

2.2 門電機驅動結構原理

門控器電機驅動電路由CPU發出PWM控制信號，經驅動IC控制6個分立的MOS管（Q1～Q6）對電機的三相繞組順次通電，使電機定子繞組形成旋轉磁場帶動轉子運轉，如圖2所示。

2.3 軟件控制原理

門控器軟件中關于電機控制設定：采用雙斬波控制的方式控制MOS管動作，即在電機每相工作周期內有3個MOS管工作，上MOS管（QI，Q3，Q5）按一定頻率載波，正下對稱的MOS管互補載波，斜下MOS管（Q2，Q4，Q6）持續導通。參見圖2若Q1載波，Q2互補載波，Q4持續導通。

3. 故障原因分析

3.1 故障件分解

對失效9個門控器拆解后進行硬件檢測發現，門控器電機驅動電路中的MOS管失效，失效的功率管為上下兩個對稱管，失效MOS管周圍印制板三防漆涂層發黃（注：三防漆經過加熱（溫度超過150℃）后變色形成），MOS管焊盤發黑的跡象，初步判定MOS管在門控器使用過程中溫度過高，發生燒損。門控器共采用3組6個MOS管，拆解后發現9個門控器燒損MOS管位置不同，但均為上下相對的MOS管。

3.2 故障件失效原因排查（分解驗證）

造成MOS管失效原因除產品自身質量、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管選型及質量、門控器MOS管組裝工藝質量控制、MOS相關控制軟件參數設置3個方面進行檢查分析。

3.2.1 MOS管選型及質量排查

此門控器MOS管型號為IRF2807，相關參數如：耐壓Vdss=75V；內阻Rds（on）=9.4mΩ；漏極電流Id=75A；最高結溫175℃。

選型驗證：通過實際測試內門門控器中MOS管實際的工作電壓為24V，工作電流通常為（0～6）A，最高不超過8A（電機堵轉時電流值最大6A～8A），按電壓24V、電流8A對MOS管降額計算，電壓降額幅值為32%，電流降額幅值為10.7%；對比“GJBZ35-93.中華人民共和國國家軍用標準元器件降額準則”[2]中關于晶體管降額的規定，符合最高等級I類降額的標準，故可排除MOS管選型不符實際需求問題。

3.2.2 門控器MOS管組裝工藝及質量控制排查

（1）組裝工藝控制：門控器電路板MOS組裝在康尼的SMT自動化生產線上完成電路板組裝，生產線從2010年開始投入使用以來，通過法國ALSTOM的審核，生產線一直在穩定生產。此生產線校核保養周期為日檢，追溯維護記錄，無問題。故可排除生產制造過程MOS管組裝工藝缺陷。（2）質量控制：每個門控器電路板組裝完成后，均需進行功能測試（基本電氣性能、基本功能測試），然后進行清潔，涂覆三防漆，再進行高溫老化，安裝外殼后再次進行功能測試、絕緣耐壓測試，燒錄出廠程序后出廠。對生產檢驗的工藝文件、檢驗工裝、防靜電措施、老化設備等進行檢查，追溯本項目門控器生產時的記錄文件，未發現異常。故可排除門控器質量不合格。

3.2.3 門控器控制程序中與MOS相關參數設置排查

門控器控制程序中與MOS管相關設定主要有電流限幅值和信號控制兩項，經查實故障門控器均采用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，經測試MOS管實際工作電流（0～6）A最大值不超過8A，遠小于MOS管漏極電流75A，故可排除由于過流導致MOS管失效。（2）信號控制：B.V0101版控制程序對MOS管采用雙斬波信號控制，單相MOS管（如Q1和Q2）互補載波，參見圖3。

由圖3綜合分析可知，雙斬波控制方式下，上下管動作存在過渡（即軟件實際控制死區）；當MOS管動作處于過渡區間內，上下管發生短暫短路（一周期62us，實際過渡時間1us），為此，軟件控制過程中需設置死區時間（死區時間無電流），考慮到MOS管器件差異性，程序中設定死區時間應大于實際過渡時間；對B.V0101版本控制程（死區設定1us）進行恒溫臺架實驗（環境溫度25℃），持續8小時堵轉情況下，門控器單相MOS管損壞，拆解后故障現象同故障門控器一樣，即故障復現；故可判定由于控制程序死區設置不足，導致MOS管周期性短暫短路，逐步升溫累積最終導致MOS過溫損壞。另注：MOS管實際工作電壓為24V，MOS管耐壓值為75V，故可排除MOS管過壓損壞。

故障分析總結：導致門控器MOS管失效原因為門控器控制程序中死區設定時間不足，門使用過程中門控器上下MOS管存在周期性短暫短路，導致MOS管發熱，累計溫度超過175C時燒損。

4. 整改措施

（1）升級軟件：在B.V0101軟件程序基礎上，修改電機控制死區時間，由1us改為4us，升級軟件版本為B.V0102。經對B.V0101版本控制程代碼檢查發現，程序死區設定時間為1us，初步判定控制程序死區設定存在不足，進而對此門控器MOS管進行模擬試驗和臺架測試。當死區設定時間為4us時，可完全避開MOS管在B.V0101軟件程序基礎上，修改電機控制死區時間[3]。（2）理論計算：4us死區占整個周期（64us）的6%，根據目前的電流限幅值進行計算，輸出最大電流（8A）需要的最大占空比應小于50%，因此死區時間設定4us不影響門控器對電機最大電流輸出。（3）臺架試驗：模擬門實際運用狀態在2個臺架上同時對1us死區和4us死區程序進行試驗驗證，分別在門處于關到位持續堵轉和連續自動開關門兩種較惡劣的工作模式下，對軟件設置死區1us和4uS進行對比試驗，在門控器工作1小時后MOS管溫度達到熱平衡，測試MOS管外殼溫度，比較兩種死區參數下MOS管溫升情況，如表2所示。

表2 兩種死區參數下MOS管溫升情況

關到位堵轉情況下，MOS管溫升1us死區是4us死區MOS管溫升的3.7倍；連續開關門情況下，1us死區MOS管溫升是4us死區MOS管溫升的2.5倍。

5. 結語

通過排查分析得出結論，增大控制軟件死區設定值可顯著降低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MOS管發生過溫燒損。