HXD2型机车 TCU电源板故障的原因分析与探讨

罗伟涛

(中国铁路呼和浩特局集团有限公司 包头西机务段，内蒙古 包头 014010)

1 问题描述

2020年经统计HXD2机车报出牵引水压异常，模块驱动故障等问题，现场互换TCU的ALCA电源板，出现故障转移的情况，故确认是电源板问题造成的故障。对现场返回的4块ALCA电源板卡(编号分别为300428、300479、4E0004、4E0038)进行了详细的试验测试。发现编号为2300479的板卡在输出满载(24V/4A，-24/2A)通电老化过程中出现无输出失效，经过多次上电验证，确认该电源板内的开机控制电路没有正常工作，排查故障器件发现Q5(贴片MOS管/ST/STD4NK50ZT4/500V，3A，2.4Ω，DPAK)失效。同时为了确认电源板对TCU故障的影响，对2018年-2020年配属的新八轴机车TCU故障进行统计。

表1

TCU总故障率统计

根据上述故障的统计了如下情况：①可以看出电源板的故障占TCU总故障的比例为9.24%。同时按照每台车8个TCU，每个TCU有3块电源板，结合运用的机车总数，算出TCU电源板造成的故障率为0.81%。故障率相对较低。②根据实际情况6月—8月电源板故障较多，冬季时故障较少。

针对电源板返修的情况，维修的更换件情况进行了统计，可以看出Q5和U6器件的损坏相对较多。通过电源板的测试结果和故障统计发现，电源板故障在TCU相关故障中的占比很低，但是在电源板故障中Q5和U6损坏的占比较相对较高，故后续针对此问题进行了详细分析。

2 原因分析

2.1 理论分析及计算

Q5和U6属于ALCA电源板的开机控制电路部分，由于HXD2机车的ALCA板卡沿用了HXD2B机车的ALCA板卡的设计。HXD2B的ALCA板卡在ALSTOM的设计要求中，有上电时序的要求，故需要设计专门的开机电路。HXD2B机车上的TCU有两组110V电源输入，一组是作为控制电源，一组作为控制电源启停的使能信号，是两组不同的电源信号，并且具有上电时序，开机电路的设计就是为了接收到电源的使能信号后，才控制电源板运行控制电源部分工作，电源板才能正常输出。HXD2机车的TCU为自主设计，每个TCU包括两个ALCA板卡，一个用于给驱动板供电，一个用于给传感器供电，应用场景与HXD2B机车不同。实际工作中，电源板的使能信号和供电电源是通过变流柜内部一组电源分配出来的，与HXD2B不同，HXD2B是使用两组不同的电源，HXD2机车的电源使能和供电电源同时动作，没有时序的先后顺序，故HXD2机车对ALCA电源板并不存在开机时序的要求。

开机控制电路为恒流电路，是为了可以兼容48V～110V的全电压范围，DMA供电使能信号与110V控制电源均由蓄电池给出。图1中，电源板正常通电后，电源一直处于待机状态，待DMA信号端有电压进入，则Q5导通，进一步导致U6B工作，则后面的电源模块开始工作。输入电源恢复到正常工作状态，输出电压建立。

图1 开机控制电路示意图

当Q5器件失效时将会导致光耦U6无法正常开通，从而导致电源板内的模块开机电平一直为低电平信号，模块此时处于关机状态，导致整机无电压输出。

图2中的U6A是U6光耦的输出部分，在开机部分的Q5导通后，U6就会导通，则U6A导通，Q1导通，则此时相连的P1就会被拉低。

图2 开机控制电路原理

ZD4为稳压管，HV为输入的110V电压，当输入的电压经过ZD4后，将电压钳住，为后续电路供电。

图3中，电源模块的PC脚为开机使能脚，当PC脚为高电平时，电源模块开机，低电平时，电源模块停机。当输入110V电压正常后，P1脚为高电平，此时三极管Q7，Q10正常开通，电源模块的PC脚被拉低，为低电平，则模块此时无输出，输出电压也无法建立。 当开机控制电路通电工作正常后，将P1的电平拉低，则Q7、Q10不导通，电源模块的PC脚被放开，变为高电平，则模块可以正常使能工作，即使得模块可以将输入电压转换为输出电压，给负载的设备供电。

图3 电源模块原理

通过对开机控制电路原理分析，DMA信号为开机信号，接输入电压DC110V。当DMA输入给定后，Q5导通，U6导通，开机控制电路中的Q5一直工作在放大区，Q5由于要适应宽范围的输入电压并保持恒流模式，在工作时始终处于放大区，发热会较为严重。电路中Q5的G极电压为15V，因ZD8为15V的稳压管将G极电压稳定在15V，G极门限电压为4.5V左右。R13两端电压即Vs电压为15V-4.5V=10.5V，那么流过MOS管Q5中的电流为10.5V/5.1K，电流为2mA左右。

理论计算MOS管Q5的损耗(为方便计算，电压值取整计算)。

当输入端的电压为110V时，MOS管Q5的VDS两端电压为110V-10V=100V，MOS管的损耗为P=U*I=100*0.002=0.2W。

当输入端的电压为137.5V时，MOS管Q5的VDS两端电压为137.5V-10V=127.5V，MOS管的损耗为P=U*I=127.5*0.002=0.25W。

2.2 试验测试

根据现场反馈，ALCA电源板在实际使用中的环境温度部分情况下会比70℃的环境要高，实际测试Q5、U6器件的温度最高达到118.9℃(输入137.5VDC，环境温度70℃)。针对此情况补充ALCA电源板在低压69V和额定110V下的常温26℃，高温70℃下的发热器件的温度测试结果。在电路板上利用温度巡检仪测试ZD4的工作温度，经过测试确认ZD4的温度为102.9℃。对比前面测试的Q5在70℃满载时的温度已经达到118.9℃，U6温度106℃，均高于ZD4的温度，故此区域温度最高的还是开机电路部分的Q5，其他器件基本是受其影响而发热。

2.3 分析意见

开机电路部分设计是沿用HXD2B的要求，在HXD2机车开机电路部分并无作用，TCU并未使用该功能，直接通电后即可输出，不存在开机时序判断。而在实际运行中，由于外部环境温度较高，可能会存在超过70℃设计温度的时刻，根据试验结果，随着环境温度升高，Q5和U6也会逐步发热，就会导致周围器件的温度也逐步升高。经过试验在满载137V电压输入的情况下，Q5的表面温度接近120℃，温度快要接近芯片的温度上限150℃，会对芯片寿命造成影响，进而ALCA电源板在长时间工作时的稳定性会降低。鉴于此电路在HXD2机车上的作用不明显，而且实际运用中的环境温度较高，可能会引起Q5和U6持续发热，故考虑对此电路进行优化。

3 优化措施

针对上述分析做出如下优化更改措施：①在HXD2机车开机电路中，将开机控制电路中的光耦U6去掉，同时将光耦U6的次级短路，则开机电路部分的输出断开，同时U6保持为通路，则P1会一直保持为低电平的状态。②将开机控制电路中的L5去掉，则整个开机电路部分与电源断开，不工作则不会持续发热。去掉的器件示意如图4。

(a)

4 结论

①经过理论分析以及试验验证，ALCA电源板开机电路的优化，可以有效地降低原电路的发热情况，减少因Q5、U6器件引起的电源板故障。②电源板的故障占TCU总故障的比例为9.24%。同时按照每台车8个TCU，每个TCU有3块电源板，结合运用的机车总数，算出TCU电源板造成的故障率为0.81%。故障率相对较低，优化后可持续观察。③ALCA电源板优化改造后的电源性能与优化前的性能一致，优化方案有效。