高速列车输出信号失效的分析

2015-11-02杨正专赵飒耿晓峰

机电产品开发与创新 2015年2期

关键词：浪涌三极管切片

杨正专，赵飒，耿晓峰

（南京浦镇海泰制动设备有限公司，江苏南京 211800）

高速列车输出信号失效的分析

杨正专，赵飒，耿晓峰

（南京浦镇海泰制动设备有限公司，江苏南京 211800）

高速列车要求安全可靠运行，输出信号故障将影响列车运行，论文重点针对高速列车开关量输出信号故障，根据设计原理，通过内部结构分析、De-CAP分析及故障模拟分析的方法进行了详细的故障原因分析，并针对故障原因进行了现车调查，确认故障的根本原因，进行了优化设计及验证，验证结果表明：采用该优化方法能够有效的避免开关量输出信号故障，提高列车运行效率。

高速列车；输出信号；失效分析；De-CAP分析；故障模拟

0 引言

近年来随着我国铁路技术装备的快速发展，在既有线路陆续运行了200～350km/h的高速动车组，极大地改善了人们的出行环境和铁路运力紧张的局面，取得了很好的社会和经济效益。动车组中包含众多设备，各设备均有根据输入信号及内部逻辑输出列车控制信号，若输出信号故障将会影响列车正常运行，因此提高列车设备输出信号可靠性，保障列车正常运行，提高列车运行效率显的尤为重要。

1 信号输出原理

在高速动车组中，需给设备根据自身采集的信号（如速度信号等），输出相应的开关量信号到列车控制系统，用于列车的相关控制。开关量信号输出原理如图1所示。开关量信号由单片机控制输出，通过光耦隔离后，在由驱动电路驱动功率器件输出，同时对功率器件输出状态采样，再通过光耦隔离后送至单片机进行故障诊断。其中功率输出部分电路如图2所示。

图1　开关量信号输出原理图

图2　功率输出部分电路

2 故障现象及分析

信号输出回路故障，将引起动车组相应控制逻辑错误，针对设备本身通过该信号输出状态，结合其信号的反馈状态将诊断出该故障现象。但故障一旦发生将影响动车的安全性或可用性。

故障发生后，通过对该信号输出回路进行测量，发现基本是由输出功率器件（三极管）短路所致，因此重点对失效的三极管开展了详细分析。

2.1功率器件分析

导致三极管短路的起因主要有三方面：过电压、过电流和ESD［1，2］。为进一步分析故障原因，开展了内部结构分析和De-CAP分析。

（1）内部结构分析。针对故障三极管进行了切片，了解该其内部构造。切片位置及内部芯片如图3所示。切片后，三极管内部结构如图4所示。通过切片仅能看到集电极，还没有观察到基极和发射极的界面。因此，需对芯片进行进一步处理，通过扫描电子显微镜（SEM）对切片位置做横截面结构观察，观察结果如图5所示。通过基极和发射极的厚度非常的薄，只有几个微米的厚度。因此，基极和发射极为正常使用情况下失效的薄弱环节。

图3　切片位置及内部芯片

图4　三极管内部结构图

图5　SEM观察图

（2）De-CAP分析。通过切片分析，了解三极管的内部结构。以便对故障的深入分析，对两只故障三极管进行了

De-CAP分析，分析结果如图6所示。通过De-CAP结果可以看出1号三极管的损坏点在BE之间；2号三极管的损坏点在BC之间。但并不能区分是由过电流或者果电压造成，仅能判断有过量的电应力造成，可以排除ESD的原因（ESD的损坏模式为细小的不均为击穿孔）。

图6　三极管De-CAP分析结果

2.2初步原因分析

为进一步确认三极管故障的最终原因，选取同型号三极管进行了过电流和果电压故障模拟试验［3］。

（1）过电流模拟试验。通过降低负载的方式来提升Ic，两只样品分别在2A的Ic下持续了2s和1s，测量后均断路。通过De-CAP分析结果如图7所示。

图7　过电流失效分析

通过De-CAP结果分析，两只样品三极管的失效现象均为E级周围出现烧断现象，表现出断路。

（2）过电压模拟试验。为进一步研究电压失效机理，选取三只同统型号三极管分别在不同端施加过电压（BC端、EC端、CE端），进行过电压试验，针对试验完三极管进行测试和De-CAP分析。测试结果表明：完成试验的三极管失效模式均表现为断路。对完成试验的三极管进行De-CAP分析，其分析结果如图8所示。

图8　过电压失效分析

通过De-CAP分析发现：BC端施加反向电压时，BC部分出现击穿与图6中2号故障三极管失效现象一致。CE和EC施加不同的浪涌电压造成的现象相同，分析认为，此三极管EC正向电压施加时，瞬间流经BE的正向电流过大，在CB反向击穿前已EB已烧毁，而CE正向电压施加时，EB的反向电压上限只有7V，因此也是EB被击穿。该故障现象与图6中1号故障三极管失效现象一致。

（3）初步原因分析。根据上述分析，初步认为输出信号失效主要是由于输出回路外部存在较高浪涌电压，导致输出三极管击穿，出现三极管短路，无法正常输出。

2.3现车调查分析

为进一步调查信号输出回路的外部环境，针对该种信号回路进行了现车浪涌电压测试。测试工况包括：升、降弓及合真空断路器（VCB）；测试点包括：电源与信号之间、信号与地之间及三极管CE之间。测试结果如图9～图11所示。测试结果表明：信号输出回路存在1kV到3kV的浪涌电压，该电压是导致三极管损坏的根本原因。

图9　电源与地之间浪涌

图10　电源与信号之间浪涌

图11　三极管CE之间浪涌

3 输出电路优化及验证

根据上述分析，信号输出回路上的浪涌信号，是导致三极管损坏的根本原因。因此，为避免该类故障再次发生，导致列车部分功能丧失，影响列车运营。对该类信号输出回路，提出了优化方案，主要是在输出回路的增加浪涌吸收器件（压敏电阻）保护信号输出电路。优化后的电路如图12所示。针对优化前后的电路，进行了浪涌试验对比［4］，其结果如图13和图14所示。通过信号输出回路优化前后的试验对比，表明在输出回路增加浪涌吸收器件，能有效的抑制浪涌电压，起到对后续电路的保护功能，提高了信号输出回路的可靠性。