CR400BF型动车组充电机电压传感器结构的优化探讨

杨江超 陈 玉 中国铁路上海局集团有限公司上海动车段

1 问题的提出

2019 年，中国标准动车组充电机（CR400BF 充电机）多次发生故障，找出故障原因，减少动车组因充电机故障影响铁路正常运营尤为重要。本文将对故障数据进行分析，结合充电机控制原理，提出优化改进方案。CR400BF 充电机故障阶段性梳理如表1所示。

表1 充电机故障统计表

分析多起充电机故障数据，故障数据均如图1 所示。故障发生前模拟量采集异常，充电机无法采集到正常的电压值和电流值，导致 PWM 控制脉宽变大，最终发生 IGBT 过流故障停机。

图1 CR400BF-A-506309 车充电机异常数据图

2 充电机内部控制原理

由图2 可知，充电机内部由 PM1 和 PM2 两个充电单元并联构成，分别对应司机显示屏的 1#充电机和 2#充电机，充电单元有各自独立的控制器进行逻辑控制和故障保护，PM1/PM2 IGBT 故障由 PM1/PM2 模块控制器和驱动板检测，驱动板对 IGBT 状态及驱动电压进行监控，当检测到IGBT 短路、过流或者欠压时，反馈故障信号给控制器，控制器进行 IGBT 故障报警，随后系统故障停机。功率模块PM1/PM2 各拥有一套传感器供电回路，由电源板上电源模块产生，负责给传感器提供稳定供电电源。当传感器系统的供电产生（电源模块）、供电传输或供电负载（传感器）任一方出问题时，均可能导致传感器系统功能失效，使得充电机主控板无法正常 PWM 控制，发生 IGBT 故障。

图2 CR400BF 充电机 IGBT 控制电路及传感器供电回路

3 调查试验及原因分析

3.1 调查研究

充电机传感器供电回路失效，可能故障点为供电产生（电源模块）、供电传输或供电负载（传感器），从以上3个方面分别进行试验，确定故障原因。

通过验证充电机电源模块功率的试验，以及电源模块表面温度的试验，表明电源模块输出的电压功率等电气参数均正常，且满载运行时电源模块的温度在正常范围内，排除电源模块异常的情况。

对现场供电线路的检查，外观完好，传输线路的导通绝缘测试也良好，说明传感器供电系统传输线路正常。

在供电负载（传感器）试验中，中间电压传感器拆解后，观察发现传感器隔离及电流放大电路部分器件有发黑迹象，达林顿管D9 表面明显发黑，如图3 所示，更换传感器后重新上电故障消除。

图3 充电机中间电压传感器拆解图

图4为充电机电压采集原理示意图。黄框部分为电压传感器内部原理示意。如图中所示，电源板上电源模块输出±15 V 为充电机传感器供电。

图4 CR400BF 充电机电压采集原理示意图

图5 电压信号转电流信号简要原理示意图

电压传感器有两个对外接口，接口X2 为高压信号接口，接口X1 为低压信号传输及供电接口。高压侧采集电压信号经高压处理电路及隔离放大电路后输出电流信号IM，主控板采集电路将电流信号转化为电压信号，最终由控制器完成电压采集。传感器内高压处理电路的作用是将高功率高电压等级的信号转换为低功率低电压等级的信号。通过多级运算放大器实现隔离。达林顿管D8/D9 为电流放大组件，负责将微弱电压信号放大为电流信号。如图5 所示，三极管工作在放大区，+15 V 给三极管提供能量，实现电流放大功能。输出发射极电流Ie=gm×Vb，其中gm 为互导增益。电压转换为电流信号，可增强信号的传输功率和抗干扰能力，保证主控板接收到稳定采集信号。

图4 所示，采集正向电压，D8 一直处于导通状态，由+15 V 为放大电路供电。D9 受干扰误导通时，D8/D9 直通导致传感器供电系统±15 V 短路，传感器采集失效，控制器接收到异常数据，实际采集量与给定量差值变大，充电机闭环调节增大PMW 控制脉宽，以期望减小采集量与给定量差值，最终发生 综上所述，通过对电源模块、供电传输线路及传感器内部供电分别进行试验，发现传感器内部供电回路受干扰失效是故障发生的根本原因。

3.2 原因分析

CR400BF-A-509208 车报故障代码4495（充电机故障）、4401（充电机 IGBT 故障），车组回库后发现充电机电压传感器2TV3 及2TV4 内器件烧毁，且功率模块中整流二极管D3及电阻R9 失效。而二极管吸收电路与高压信号谐波有直接关系。CR400BF充电机高频整流二极管两端吸收电路为 RC串联电路，其功能是吸收二极管两端电压尖峰。失效后中间电压及输出电压的谐波含量会明显增大，二极管电压尖峰变大，寿命缩短。RC具体位置见图6所示。

图6 CR400BF 充电机原理拓扑图示

图7 为 CR400BF 充电机输出电压纹波图示。（a）为 RC 电路正常，满载运行，输出电压纹波有效值为0.764 mV，峰峰值为 4.56 V。（b）为1 路RC 失效，满载运行，输出电压纹波有效值为2.15 V，峰峰值为68.4 V。对比可知，当充电机1 路RC失效后，会导致输出电压波形谐波含量变高。

充电机内电压传感器为高压信号及低压信号连接器件，当充电机整流二极管两端吸收电阻R 失效时，高压信号波形异常（幅值变大），传感器内滤波电路可能无法完全吸收，以致传感器易受干扰而发生IGBT故障。

4 结构的优化改进

4.1 优化传感器内部结构

达林顿管D9 的作用是为传感器采集负压，提供-15V 通路，四方所原始设计中保留D8/D9，是参考经典电路，使传感器既能采集正压也能采集负压。而四方所充电机传感器（中间电压、输出电压）均为正压，中间电压为DC500V，输出电压为DC110V，传感器内仅D8工作，D9不工作。通过研究调查，发现达林顿管D9易受干扰误导通，从而导致故障发生。

所以，在传感器的优化设计中，将不工作且易误导通的达林顿管D9 拆除，形成新品电压传感器。优化改进后，可以增强传感器抗干扰性。

4.2 更换耐冲击性电阻

在RC 吸收电路中，电阻需要具备较强耐冲击性能，所以，充电机电压传感器结构的优化需要更换耐冲击性电阻。在原设计中，使用的是HXP200-1 电阻，其电阻浆料为普通浆料。优化更换后使用HXP200-1-I-U 电阻，其电阻浆料采用脉冲型浆料。二者对比如下：

HXP200-1-I-U 膜层尺寸：17mmx14mm=238 mm2（不允许打磨）

瓷片尺寸：21mmx19.5mm=409.5 mm2

HXP200-1 膜层尺寸：16mmx12mm-14mm2=192 mm2（另有约14mmx1mm打磨区域，用于调整阻值）

瓷片尺寸：21mmx19mm=399 mm2

恒定负载功率：散热器温度低于85℃，标称功率均为200 W(决定因素为瓷片尺寸)，HXP200-1-I-U 最大功率略大于 HXP200-1，约提高 1%。

抗脉冲能力：HXP200-1-I-U 较HXP200-1 脉冲能力约提高40%以上

脉冲能力主要取决于电阻中，电阻成分的热容量。在预充过程的短时间内，吸收较大热量后，电阻成分的温升需要在电阻成分的稳定范围内。

（1）脉冲型浆料比热容较普通浆料提高约 20%

（2）膜层面积，HXP200-1-I-U 较 HXP200-1 增大了约 24% 即整体抗脉冲能力增强约：1.2x1.24=1.488，整体评估提高 40%以上。

5 方案验证与总结

本次优化传感器设计，切断传感器内易受干扰回路，拆除冗余达林顿管D9，保证传感器可靠工作；同时，更换RC 吸收回路中的电阻为耐冲击型电阻。更换优化的新品传感器，在复现故障的样机上进行相关性能试验，包括启动试验、重启动试验、保护试验、静态电压试验、总输出限流试验、充电模式切换试验、输入电压突变试验、负载中断试验、负载调节试验、供电短时中断试验。按照例行试验及型式试验要求，所有项点均满足要求。