关于和谐号动车组内端门门控器死区时间故障的研究

孙会志 暴长春 陈郁

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛 266000）

0. 引言

在国内交通领域科技的完善中，动车组列车已经成为人们出行的主要选择之一。但在数量庞大的列车投入使用后，不可避免出现部分部件故障问题，故如何科学的发现、分析、解决故障是重中之重。本文以和谐号动车组内端门门控器死区时间故障为例，讲述该故障的分析、解决过程，为其他列车故障的解决提供思路和启发。

1. 故障描述

在和谐号动车组运行过程中，发生内端门故障8起，残卫门故障1起，具体故障现场及问题描述见表1。

表1 故障现象及问题描述表

2. 部件结构及原理介绍

2.1 车内电动门结构概述

动车组车辆内端门采用铁路车辆成熟可靠的结构，在国内已广泛使用，其具有以下特点：门锁为双重闭锁，安全可靠；门扇采用铝蜂窝复合结构，重量轻、强度高、密封性能好、隔音、隔热；门系统移动承载机构简洁、运行阻力小、安装方便、可靠性高[1]。车内电动门主要包括门扇、门机构组件，参见图1。

工作原理：由感应开关（或手动开关）向门控器输入开/关门信号，门控器控制电机工作实现门开/关动作。关键部件：车内电动门。门驱动电机采用24V三相无刷直流电机。门控器，MKQ232-110NC。控制软件，配套设计研发B.V0101。

2.2 门电机驱动结构原理

门控器电机驱动电路由CPU发出PWM控制信号，经驱动IC控制6个分立的MOS管（Q1～Q6）对电机的三相绕组顺次通电，使电机定子绕组形成旋转磁场带动转子运转，如图2所示。

2.3 软件控制原理

门控器软件中关于电机控制设定：采用双斩波控制的方式控制MOS管动作，即在电机每相工作周期内有3个MOS管工作，上MOS管（QI，Q3，Q5）按一定频率载波，正下对称的MOS管互补载波，斜下MOS管（Q2，Q4，Q6）持续导通。参见图2若Q1载波，Q2互补载波，Q4持续导通。

3. 故障原因分析

3.1 故障件分解

对失效9个门控器拆解后进行硬件检测发现，门控器电机驱动电路中的MOS管失效，失效的功率管为上下两个对称管，失效MOS管周围印制板三防漆涂层发黄（注：三防漆经过加热（温度超过150℃）后变色形成），MOS管焊盘发黑的迹象，初步判定MOS管在门控器使用过程中温度过高，发生烧损。门控器共采用3组6个MOS管，拆解后发现9个门控器烧损MOS管位置不同，但均为上下相对的MOS管。

3.2 故障件失效原因排查（分解验证）

造成MOS管失效原因除产品自身质量、组装工艺不良外，使用过程中造失效直接原因包括过压、过流和过温3种原因；为准确判定此次门控器MOS失效的根本原因，分别从MOS管选型及质量、门控器MOS管组装工艺质量控制、MOS相关控制软件参数设置3个方面进行检查分析。

3.2.1 MOS管选型及质量排查

此门控器MOS管型号为IRF2807，相关参数如：耐压Vdss=75V；内阻Rds（on）=9.4mΩ；漏极电流Id=75A；最高结温175℃。

选型验证：通过实际测试内门门控器中MOS管实际的工作电压为24V，工作电流通常为（0～6）A，最高不超过8A（电机堵转时电流值最大6A～8A），按电压24V、电流8A对MOS管降额计算，电压降额幅值为32%，电流降额幅值为10.7%；对比“GJBZ35-93.中华人民共和国国家军用标准元器件降额准则”[2]中关于晶体管降额的规定，符合最高等级I类降额的标准，故可排除MOS管选型不符实际需求问题。

3.2.2 门控器MOS管组装工艺及质量控制排查

（1）组装工艺控制：门控器电路板MOS组装在康尼的SMT自动化生产线上完成电路板组装，生产线从2010年开始投入使用以来，通过法国ALSTOM的审核，生产线一直在稳定生产。此生产线校核保养周期为日检，追溯维护记录，无问题。故可排除生产制造过程MOS管组装工艺缺陷。（2）质量控制：每个门控器电路板组装完成后，均需进行功能测试（基本电气性能、基本功能测试），然后进行清洁，涂覆三防漆，再进行高温老化，安装外壳后再次进行功能测试、绝缘耐压测试，烧录出厂程序后出厂。对生产检验的工艺文件、检验工装、防静电措施、老化设备等进行检查，追溯本项目门控器生产时的记录文件，未发现异常。故可排除门控器质量不合格。

3.2.3 门控器控制程序中与MOS相关参数设置排查

门控器控制程序中与MOS管相关设定主要有电流限幅值和信号控制两项，经查实故障门控器均采用B.V0101版控制程序。

（1）电流限幅控制：B.V0101版控制程序电流限幅控制极值为8A，经测试MOS管实际工作电流（0～6）A最大值不超过8A，远小于MOS管漏极电流75A，故可排除由于过流导致MOS管失效。（2）信号控制：B.V0101版控制程序对MOS管采用双斩波信号控制，单相MOS管（如Q1和Q2）互补载波，参见图3。

由图3综合分析可知，双斩波控制方式下，上下管动作存在过渡（即软件实际控制死区）；当MOS管动作处于过渡区间内，上下管发生短暂短路（一周期62us，实际过渡时间1us），为此，软件控制过程中需设置死区时间（死区时间无电流），考虑到MOS管器件差异性，程序中设定死区时间应大于实际过渡时间；对B.V0101版本控制程（死区设定1us）进行恒温台架实验（环境温度25℃），持续8小时堵转情况下，门控器单相MOS管损坏，拆解后故障现象同故障门控器一样，即故障复现；故可判定由于控制程序死区设置不足，导致MOS管周期性短暂短路，逐步升温累积最终导致MOS过温损坏。另注：MOS管实际工作电压为24V，MOS管耐压值为75V，故可排除MOS管过压损坏。

故障分析总结：导致门控器MOS管失效原因为门控器控制程序中死区设定时间不足，门使用过程中门控器上下MOS管存在周期性短暂短路，导致MOS管发热，累计温度超过175C时烧损。

4. 整改措施

（1）升级软件：在B.V0101软件程序基础上，修改电机控制死区时间，由1us改为4us，升级软件版本为B.V0102。经对B.V0101版本控制程代码检查发现，程序死区设定时间为1us，初步判定控制程序死区设定存在不足，进而对此门控器MOS管进行模拟试验和台架测试。当死区设定时间为4us时，可完全避开MOS管在B.V0101软件程序基础上，修改电机控制死区时间[3]。（2）理论计算：4us死区占整个周期（64us）的6%，根据目前的电流限幅值进行计算，输出最大电流（8A）需要的最大占空比应小于50%，因此死区时间设定4us不影响门控器对电机最大电流输出。（3）台架试验：模拟门实际运用状态在2个台架上同时对1us死区和4us死区程序进行试验验证，分别在门处于关到位持续堵转和连续自动开关门两种较恶劣的工作模式下，对软件设置死区1us和4uS进行对比试验，在门控器工作1小时后MOS管温度达到热平衡，测试MOS管外壳温度，比较两种死区参数下MOS管温升情况，如表2所示。

表2 两种死区参数下MOS管温升情况

关到位堵转情况下，MOS管温升1us死区是4us死区MOS管温升的3.7倍；连续开关门情况下，1us死区MOS管温升是4us死区MOS管温升的2.5倍。

5. 结语

通过排查分析得出结论，增大控制软件死区设定值可显著降低MOS管温升，提升其工作的可靠性，能够有效避免门控器正常工作时MOS管发生过温烧损。