核电DCC系统冗余CPU电源模块故障分析与技术改进

李 苏，王 勇，王浩光

（1.山东大学 机械工程学院，山东 济南 250000；2.中核（上海）供应链管理有限公司，上海 200000）

0 引 言

秦山三期核电站的数字控制计算机系统（DCC）电源模块采用Behlman公司的SSCI-890电源模块，输入为90～240 VAC，单相为47～63 Hz。逻辑功率输出为5 VDC@100 A，可调±10%；存储器功率输出为5 VDC@3 A，可调节±10%。该装置还具有+12 VDC和-12 VDC@1.5 A的输出。Behlman SSCI-890电源模块在核电站应用中时常出现电源模块停止工作、指示灯不亮和跳闸等故障，导致DCC系统下线，且同类故障多次维修后仍然出现。

为找到故障原因，本文首先描述模块使用背景和故障部位电路，其次提供故障元器件的对比检测结果和结论，最后根据结论提出设备使用、维护及改进方案，以降低电源模块故障率。

1 电源模块介绍

Behlman SSCI-890电源模块由中间一个控制单元（LRU Controller）和左右两个电源单元（LRU Power Unit）构成。模块工作时，由中间控制单元控制两个可热插拔、互为冗余的电源单元，且两个电源单元各有两个互为冗余、并联均流[1]的DC/DC模块。原设计欲提高电源模块的可靠性，但中间控制单元仅设计一路，导致了非冗余。

Behlman SSCI-890电源模块结构，如图1所示。外部输入首先经过控制单元的总开关，然后分流到两个电源单元。每个电源单元中，输入电流经过滤波由AC/DC模块转换为380 VDC，之后经过两个并联、冗余的DC/DC模块M1、M2，将电流转换为+5 VDC。两个电源单元的+5 VDC并联，一起向外输出。同时，电源模块还提供+12 VDC、-12 VDC的输出。电源模块运行过程中，由控制单元监控模块输入、电源单元输出、风扇运行状况和备用电池运行状况等共同调节，确保两个单元中的四个DC/DC模块以相同的频率切换，并均等地维持负载电流输出。电源单元拆卸图，如图2所示。

通过电源模块的设计，可了解其冗余设计思路，即每个电源模块中有两个互为冗余的电源模块，同时每个电源单元中有两个互为冗余的DC/DC模块。虽然只有一个控制单元，但与电源模块相比，控制单元运行功率小，对外无大电流输出，可靠性更高。本次检修结果验证了这一设计思路：故障的两组电源模块中，四个电源单元存在故障，两个控制单元正常。

图1 Behlman SSCI-890电源模块结构图

图2 电源单元拆卸结构图

2 维修结果

根据电源模块的使用与维护历史数据分析故障现象[2-3]，确认模块发生了硬件损坏。拆机检测模块，检测过程如下。

（1）外观检查。检查电路板外观，观察电路板是否出现人为损坏故障，元器件焊接是否正常，芯片是否出现鼓包、裂口、烧糊和发黑等情况，电源变压器有无烧糊现象，电路板上保险丝、压敏电阻、电容等元器件是否有发黑变糊。

（2）静态对比测试。对比电源模块的电路原理图，针对故障情况，使用万用表测试检查关键元器件，查找故障原因。

（3）动态对比测试。初步分析电源模块故障后，对电源模块上电，测试关键元器件，并与正常模块工作时的波形比较，如两者输入波形一致而输出波形不一致，可判定为元器件故障。

四块电源单元、两块控制单元的检测结果如表1所示。其中，③号单元DC/DC模块侧面有鼓包，④号单元电路板铜箔被烧焦，分别如图3、图4所示。

表1 电源模块维修纪要

图3 ③号单元DC/DC模块侧面有鼓包

3 始发故障分析

实际使用中，电路失效一般是从单个元器件开始的，继而引发其他元器件发生故障。拆机维修电源模块后发现，尽管维修的模块数量少（两个控制单元，四个电源单元），模块故障仍具有共性。

（1）故障的四个单元均为电源单元，两个控制单元上电测试正常。推测两个控制单元出现跳闸是因为与控制模块相连接的电源单元发生了故障，引发控制单元跳闸。同时，该现象证明控制单元的可靠性比电源单元高。

（2）拆机检测电源单元时，电路板上发现有线路颜色变深的现象，推测该处线路长期有大电流或散热不足而导致线路老化。老化短时间内不会影响系统运行，但长时间运行条件下需要认真维护或更滑。本次维修中，④号电源单元的铜箔线路烧焦，其他电源单元发现有线路颜色变暗，如图5方框中所示。

图5 其他电源模块的底部电路板

（3）每个电源单元中安装两个DC/DC模块，设置在AC/DC模块后（AC/DC模块将输入电流转换为380 VDC，DC/DC模块再将380 VDC转换为+5 VDC）。拆机维修中发现，①号和③号电源单元的损坏具有一定的相似性。考虑到本电源模块应用情景特殊，输入端、输出端功率产生突变的偶然性较大，同时这两个电源单元内故障的元器件很少，因此推测失效原因为AC/DC模块老化。失效过程为：①号电源单元内，DC/DC模块老化→输入端过电流→DC/DC模块输入端保险丝烧毁→AC/DC输入端短路→电源模块跳闸；②号电源单元内，DC/DC模块老化→DC/DC模块输入端短路过电流→DC/DC前保险丝烧毁→另一个DC/DC承担输出且输出正常→控制单元DCOK灯不亮。

（4）电源单元内设有三个风扇进行散热，其中前置面板处设有两个风扇，后置面板处设有一个风扇，设计可能考虑到前置面板处进风更顺畅。但是，拆机维修中发现，后置面板的风扇比起前置面板的风扇扇叶小，且不被控制单元监控。考虑实际安装运行中电源单元的尾部向内插入机箱外壳，意味着电源单元的后端比前端更容易积累热量。文中提到的④号电源，烧焦的电路板铜箔位置就在电源单元的尾部，且不是正对后置面板的风扇。

4 技术改进

分析电源模块的故障形式发现，电源模块设计中存在一定的改进空间，且改进是为了提高电源模块的可靠性[4-8]。

4.1 控制单元

第一，降低控制单元的功耗、电流，如把控制单元的功能分置到电源模块中；第二，外置为电池充电模块，提高系统可靠性。

4.2 电源单元

第一，当电源单元中DC/DC模块一个出现故障、一个工作时，由于电源单元DCOK指示灯采样点和控制单元DCOK采样点位置不同，会出现电源单元的DCOK指示灯不亮、控制单元的DCOK指示灯亮的现象（电源单元输出正常，控制单元显示正常）。针对这种情况，可加一个指示灯，方便维护人员发现故障。第二，电源单元的后端安装两个风扇，同时在两个前置风扇、两个后置风扇中设置两个指示灯，提高电源模块的散热效率和系统的可行性。

5 结 论

本电源模块（电源单元）设计中，DC/DC模块输入输出功率高、电流大，容易发生老化。当负载变动产生电压冲击时，DC/DC模块可能会发生故障。失效模式为输入端短路时，会过流熔断保险丝，甚至导致前端的AC/DC模块故障，电源单元停止运行。

本次维修过程中，DC/DC模块老化影响了电源模块的正常供电。尽管电源单元采用冗余配置预防了严重后果的产生，但电源单元输入短路时会连同控制单元跳闸，导致DCC系统掉电，同时增加了DCC系统的维护成本，而电源单元的更换、维修增加了维护人员的负担。因此，应根据电源模块的故障形式进行一定的技术改造，提高模块的可靠性。