地鐵車輛照明驅(qū)動(dòng)電源模塊故障分析

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摘要：針對(duì)南寧地鐵某項(xiàng)目車輛客室照明驅(qū)動(dòng)電源模塊在應(yīng)用中頻繁發(fā)生的短路故障，從驅(qū)動(dòng)電源模塊的組成和控制原理進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電源模塊故障的根本原因?yàn)槿哂嚯娐吩O(shè)計(jì)不良，導(dǎo)致客室照明驅(qū)動(dòng)電源模塊內(nèi)部的DC48V電源模塊長(zhǎng)期處于不良的工作狀態(tài)，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電源模塊故障。提出優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電源模塊冗余電路的解決方案，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明該方案，確保改進(jìn)后安全、可靠。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛；驅(qū)動(dòng)電源模塊；DC48V電源模塊；反饋電路；冗余

目前，國(guó)內(nèi)地鐵車輛客室照明普遍采用由驅(qū)動(dòng)電源模塊控制的LED燈，其優(yōu)點(diǎn)在于：集中驅(qū)動(dòng)控制，色彩純度高，壽命長(zhǎng)，節(jié)能環(huán)保，且可通過(guò)PWM來(lái)控制照明亮度，使用低壓直流電源驅(qū)動(dòng)控制，安全可靠，采用LED照明大大提高了控制效率和質(zhì)量。南寧地鐵車輛客室照明采用的是由驅(qū)動(dòng)電源模塊控制的LED燈。正線運(yùn)營(yíng)時(shí)，車輛客室照明一直處于常開(kāi)狀態(tài)，若驅(qū)動(dòng)電源故障客室照明熄滅，將嚴(yán)重影響客運(yùn)服務(wù)質(zhì)量。本文針對(duì)地鐵車輛照明的驅(qū)動(dòng)電源模塊故障問(wèn)題進(jìn)行分析并提出相應(yīng)解決方案。

1故障案例

南寧地鐵某項(xiàng)目車輛在正線運(yùn)營(yíng)時(shí)，頻繁突發(fā)整側(cè)客室照明熄滅，嚴(yán)重影響正線運(yùn)營(yíng)服務(wù)質(zhì)量。檢修人員打開(kāi)繼電器柜檢查，發(fā)現(xiàn)故障側(cè)對(duì)應(yīng)的客室照明斷路器跳閘，復(fù)位后客室照明恢復(fù)正常。列車回庫(kù)后，檢查客室照明驅(qū)動(dòng)電源模塊接線無(wú)松動(dòng)、無(wú)毛刺，使用萬(wàn)用表測(cè)量故障側(cè)照明的兩驅(qū)動(dòng)電源的輸入電壓正常，測(cè)量驅(qū)動(dòng)電源1輸出電壓為48.3V，驅(qū)動(dòng)電源2輸出電壓為0.6V，故判斷為驅(qū)動(dòng)電源模塊2內(nèi)部故障，導(dǎo)致斷路器跳閘致使整側(cè)客室照明燈不亮。更換新的驅(qū)動(dòng)電源模塊2后，客室照明恢復(fù)正常。拆開(kāi)故障件驅(qū)動(dòng)電源檢查內(nèi)部元器件，使用萬(wàn)用表測(cè)量DC48V電源模塊Vout正負(fù)極腳之間阻抗為零，判斷為48V電源模塊內(nèi)部元件損壞導(dǎo)致無(wú)DC48V電壓輸出。分解DC48V電源模塊，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部輸出陶瓷電容嚴(yán)重?fù)p壞，PCB內(nèi)層大面積損壞嚴(yán)重，如圖1所示，電容損壞原因?yàn)閮蓚€(gè)電源模塊中的DC48V模塊在熱冗余的狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間過(guò)壓、高溫工作，造成電容損壞。檢查其他部件發(fā)現(xiàn)故障信號(hào)反饋回路的R14、R32電阻均有不同程度燒損現(xiàn)象，如圖2所示，使用萬(wàn)用表測(cè)量R14、R32電阻阻值相對(duì)標(biāo)定值變小。

2故障原因分析

2.1驅(qū)動(dòng)電源模塊組成

單節(jié)車客室照明有4個(gè)驅(qū)動(dòng)電源模塊，每側(cè)各2個(gè)，同側(cè)2個(gè)驅(qū)動(dòng)電源模塊采用并聯(lián)連接且互為冗余，當(dāng)任一個(gè)驅(qū)動(dòng)電源模塊發(fā)生故障時(shí)，另一個(gè)模塊仍能正常輸出電壓驅(qū)動(dòng)整側(cè)照明模塊，同側(cè)2個(gè)驅(qū)動(dòng)電源模塊共同驅(qū)動(dòng)一側(cè)燈帶的數(shù)個(gè)光源（如3所示）；驅(qū)動(dòng)電源模塊額定輸入電壓為DC110V，輸出電壓在DC43V-DC48V之間，主要由EMC電路、控制單元、48V電源模塊、12V電源模塊、5V電源模塊、故障反饋電路、冗余電路等組成。

2.2驅(qū)動(dòng)電源模塊控制原理分析

客室照明驅(qū)動(dòng)電源模塊從電客車取電DC110V，并設(shè)置斷路器控制整個(gè)照明回路。DC110V經(jīng)EMC電路防雷單元和濾波單元，通過(guò)DC110V轉(zhuǎn)DC48V電源模塊，經(jīng)變壓器降壓隔離，最終輸出DC48V為光源模塊供電。此外，驅(qū)動(dòng)電源內(nèi)部設(shè)置DC48V轉(zhuǎn)DC12V電源模塊，輸出DC12V，主要為模塊中集成運(yùn)算放大器提供DC12V工作電壓；同時(shí)，設(shè)置DC12V轉(zhuǎn)DC5V模塊，主要為處理器STM8單片機(jī)提供工作電壓。驅(qū)動(dòng)電源模塊原理圖如圖4所示。驅(qū)動(dòng)電源中的控制單元模塊實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)光控制和應(yīng)急照明控制功能，通過(guò)控制光耦通斷頻率來(lái)控制MOS管Q2的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而改變回路電流大小，實(shí)現(xiàn)PWM控制調(diào)光功能，當(dāng)控制單元模塊故障時(shí)，調(diào)光功能失效，照明呈100%亮度，另設(shè)應(yīng)急電路將故障應(yīng)急信號(hào)反饋給單片機(jī)處理，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急照明功能。從驅(qū)動(dòng)電源模塊控制原理圖整體分析可知，造成整側(cè)照明不亮的原因主要分兩種情況，第一為冗余電路，由于兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電源模塊呈熱冗余狀態(tài)，當(dāng)任一個(gè)驅(qū)動(dòng)電源模塊故障短路時(shí)，均會(huì)造成另一驅(qū)動(dòng)電源模塊接地而無(wú)法正常工作；第二種情況即列車DC110V電路短路接地造成過(guò)流導(dǎo)致斷路器跳閘。

2.3DC48V電源模塊原理分析

電源模塊其輸入端為DC110V，內(nèi)部經(jīng)過(guò)濾波再經(jīng)變壓器降壓隔離整流后輸出DC48V，且同一側(cè)兩個(gè)客室照明驅(qū)動(dòng)電源模塊中的DC48V一直處于熱冗余狀態(tài)，熱冗余狀態(tài)下導(dǎo)致DC48V電源模塊功耗變大，其中，功耗主要表現(xiàn)為熱量損耗，P=U•I，W=∫UIdt=U•I•t，隨著應(yīng)用時(shí)間t的累加，模塊內(nèi)部熱量若迅速累積到一定程度不能及時(shí)散熱，造成電容元器件的損壞。

2.4R14、R32電阻原理分析

R14、R32為故障反饋電路電阻，故障反饋電路包含電壓比較器和故障反饋，通過(guò)電壓的比較是否正常來(lái)控制故障反饋電路信號(hào)的通斷，電壓比較器是一種常用集成運(yùn)算電路，在驅(qū)動(dòng)電源模塊中用于監(jiān)測(cè)電源電壓，如圖5所示，待比較電壓：參考電壓：U3=12V，當(dāng)U2>U3（正常狀態(tài)），U1輸出低電平即“1”與“4”腳導(dǎo)通接地，故障預(yù)警紅燈不亮；當(dāng)U2<U3（故障狀態(tài)），U1輸出高電平即“1”腳和“4”腳斷開(kāi)，則故障預(yù)警紅燈亮，并將故障信號(hào)GZ輸出給反饋端，從而實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警功能。當(dāng)DC48V電源模塊故障，電壓比較器中“1”“4”腳斷開(kāi)，如圖6所示，電流從GZ點(diǎn)輸入，經(jīng)過(guò)光耦U3，觸發(fā)光耦內(nèi)的三極管的“4”腳和“3”腳導(dǎo)通，DC110V電壓經(jīng)過(guò)三極管后，一路電經(jīng)過(guò)R14電阻，一路電經(jīng)過(guò)R30電阻給DXMe反饋故障信息，若長(zhǎng)時(shí)間處于故障狀態(tài)，R14電阻一直通電發(fā)熱導(dǎo)致燒損短路，DC110V短路接地，造成DC110V的斷路器跳閘，同側(cè)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電源模塊失電，整側(cè)客室照明熄滅。

2.5故障原因分析總結(jié)

（1）客室照明驅(qū)動(dòng)電源模塊故障原因?yàn)椋簝蓚€(gè)客室照明驅(qū)動(dòng)電源模塊內(nèi)部的DC48V電源模塊長(zhǎng)期處于熱冗余狀態(tài)，電壓波動(dòng)較大，導(dǎo)致DC48V電源模塊內(nèi)部電容發(fā)熱，進(jìn)而擊穿造成模塊內(nèi)部短路。（2）內(nèi)部DC48V電源模塊發(fā)生故障后，反饋電路的電阻在長(zhǎng)時(shí)間通電狀態(tài)下發(fā)熱，電阻燒損短路造成DC110V電路短路接地，過(guò)流引發(fā)斷路器跳閘，造成整側(cè)照明熄滅。

3解決方案

故障原因出自冗余電路，解決方案為在冗余電路中增加保險(xiǎn)盒，如圖7所示。在冗余電路中加一個(gè)保險(xiǎn)盒，使兩驅(qū)動(dòng)電源模塊由熱冗余變?yōu)槔淙哂酄顟B(tài)。如圖8所示，保險(xiǎn)盒內(nèi)部原理為兩個(gè)電源正常情況下，比較器輸出低電平，繼電器K1不工作，兩個(gè)電源輸出冗余端分開(kāi)單獨(dú)帶載，處于冷冗余狀態(tài)，避免對(duì)DC48V電源模塊的沖擊。如圖9所示，當(dāng)其中一個(gè)電源出故障無(wú)48V輸出時(shí)，比較器輸出高電平，12V電壓通過(guò)電阻R11將電壓信號(hào)給到三極管Q31腳，K1繼電器動(dòng)作，分隔故障電源，且自動(dòng)接到正常電源48V輸出端，實(shí)現(xiàn)冗余功能，有效避免兩驅(qū)動(dòng)電源模塊長(zhǎng)期處于熱冗余狀態(tài)造成電壓波動(dòng)損壞DC48V電源模塊，也可避免當(dāng)有一個(gè)驅(qū)動(dòng)電源模塊故障內(nèi)部出現(xiàn)短路后不影響另一個(gè)驅(qū)動(dòng)電源模塊的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，從而避免了客室照明熄滅故障。

4試驗(yàn)

（1）將保險(xiǎn)盒裝上后，兩驅(qū)動(dòng)電源模塊輸出端被隔斷單獨(dú)帶載即將熱冗余切換為冷冗余，測(cè)量?jī)沈?qū)動(dòng)電源模塊的輸出電壓穩(wěn)定，解決熱冗余狀態(tài)可能導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電源模塊出現(xiàn)相互干擾的問(wèn)題。（2）將一個(gè)驅(qū)動(dòng)電源模塊保險(xiǎn)絲取掉，模擬當(dāng)其中一個(gè)電源出現(xiàn)故障時(shí)，保險(xiǎn)盒內(nèi)的繼電器自動(dòng)吸合，將故障驅(qū)動(dòng)電源所帶燈具切換至正常電源帶載端，照明功能正常，實(shí)現(xiàn)冗余功能。（3）將一個(gè)電源內(nèi)部的12V對(duì)短路時(shí)，未發(fā)生整側(cè)照明熄滅和斷路器跳閘故障，另一個(gè)電源正常工作，同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)電源間的12V冗余，將正常電源的12V冗余給到故障電源，故障反饋電路正常工作。

5執(zhí)行改造措施后的效果跟蹤

通過(guò)對(duì)客室照明驅(qū)動(dòng)電源模塊增加保險(xiǎn)盒后，跟蹤6個(gè)月，統(tǒng)計(jì)整側(cè)客室照明故障發(fā)生0起，DC48V電源模塊故障0起。通過(guò)以上數(shù)據(jù)得出結(jié)論，增加保險(xiǎn)盒后故障大大降低，有效避免了驅(qū)動(dòng)電源模塊故障頻發(fā)。

6結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合實(shí)際典型故障案例，對(duì)客室照明驅(qū)動(dòng)電源模塊進(jìn)行拆解分析，得出故障原因?yàn)镈C48V電源故障和冗余電路問(wèn)題，最后，提出相應(yīng)的解決方案并進(jìn)行驗(yàn)證后跟蹤，有效避免了地鐵車輛客室照明故障頻發(fā)，可為地鐵行業(yè)客室照明提供一定借鑒。

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[4]桂林海威科技股份有限公司.南寧地鐵3號(hào)線客室照明系統(tǒng)維護(hù)手冊(cè)[Z]，2018.

作者：鄭吳富 姜送來(lái) 李文龍 單位：南寧軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司運(yùn)營(yíng)分公司