高速列車輸出信號失效的分析

楊正專，趙颯，耿曉峰

（南京浦鎮海泰制動設備有限公司，江蘇 南京 211800）

高速列車輸出信號失效的分析

楊正專，趙颯，耿曉峰

（南京浦鎮海泰制動設備有限公司，江蘇 南京 211800）

高速列車要求安全可靠運行，輸出信號故障將影響列車運行，論文重點針對高速列車開關量輸出信號故障，根據設計原理，通過內部結構分析、De-CAP分析及故障模擬分析的方法進行了詳細的故障原因分析，并針對故障原因進行了現車調查，確認故障的根本原因，進行了優化設計及驗證，驗證結果表明：采用該優化方法能夠有效的避免開關量輸出信號故障，提高列車運行效率。

高速列車；輸出信號；失效分析；De-CAP分析；故障模擬

0 引言

近年來隨著我國鐵路技術裝備的快速發展，在既有線路陸續運行了200～350km/h的高速動車組，極大地改善了人們的出行環境和鐵路運力緊張的局面，取得了很好的社會和經濟效益。動車組中包含眾多設備，各設備均有根據輸入信號及內部邏輯輸出列車控制信號，若輸出信號故障將會影響列車正常運行，因此提高列車設備輸出信號可靠性，保障列車正常運行，提高列車運行效率顯的尤為重要。

1 信號輸出原理

在高速動車組中，需給設備根據自身采集的信號（如速度信號等），輸出相應的開關量信號到列車控制系統，用于列車的相關控制。開關量信號輸出原理如圖1所示。開關量信號由單片機控制輸出，通過光耦隔離后，在由驅動電路驅動功率器件輸出，同時對功率器件輸出狀態采樣，再通過光耦隔離后送至單片機進行故障診斷。其中功率輸出部分電路如圖2所示。

圖1　開關量信號輸出原理圖

圖2　功率輸出部分電路

2 故障現象及分析

信號輸出回路故障，將引起動車組相應控制邏輯錯誤，針對設備本身通過該信號輸出狀態，結合其信號的反饋狀態將診斷出該故障現象。但故障一旦發生將影響動車的安全性或可用性。

故障發生后，通過對該信號輸出回路進行測量，發現基本是由輸出功率器件（三極管）短路所致，因此重點對失效的三極管開展了詳細分析。

2.1功率器件分析

導致三極管短路的起因主要有三方面：過電壓、過電流和ESD［1，2］。為進一步分析故障原因，開展了內部結構分析和De-CAP分析。

（1）內部結構分析。針對故障三極管進行了切片，了解該其內部構造。切片位置及內部芯片如圖3所示。切片后，三極管內部結構如圖4所示。通過切片僅能看到集電極，還沒有觀察到基極和發射極的界面。因此，需對芯片進行進一步處理，通過掃描電子顯微鏡（SEM）對切片位置做橫截面結構觀察，觀察結果如圖5所示。通過基極和發射極的厚度非常的薄，只有幾個微米的厚度。因此，基極和發射極為正常使用情況下失效的薄弱環節。

圖3　切片位置及內部芯片

圖4　三極管內部結構圖

圖5　SEM觀察圖

（2）De-CAP分析。通過切片分析，了解三極管的內部結構。以便對故障的深入分析，對兩只故障三極管進行了

De-CAP分析，分析結果如圖6所示。通過De-CAP結果可以看出1號三極管的損壞點在BE之間；2號三極管的損壞點在BC之間。但并不能區分是由過電流或者果電壓造成，僅能判斷有過量的電應力造成，可以排除ESD的原因（ESD的損壞模式為細小的不均為擊穿孔）。

圖6　三極管De-CAP分析結果

2.2初步原因分析

為進一步確認三極管故障的最終原因，選取同型號三極管進行了過電流和果電壓故障模擬試驗［3］。

（1）過電流模擬試驗。通過降低負載的方式來提升Ic，兩只樣品分別在2A的Ic下持續了2s和1s，測量后均斷路。通過De-CAP分析結果如圖7所示。

圖7　過電流失效分析

通過De-CAP結果分析，兩只樣品三極管的失效現象均為E級周圍出現燒斷現象，表現出斷路。

（2）過電壓模擬試驗。為進一步研究電壓失效機理，選取三只同統型號三極管分別在不同端施加過電壓（BC端、EC端、CE端），進行過電壓試驗，針對試驗完三極管進行測試和De-CAP分析。測試結果表明：完成試驗的三極管失效模式均表現為斷路。對完成試驗的三極管進行De-CAP分析，其分析結果如圖8所示。

圖8　過電壓失效分析

通過De-CAP分析發現：BC端施加反向電壓時，BC部分出現擊穿與圖6中2號故障三極管失效現象一致。CE和EC施加不同的浪涌電壓造成的現象相同，分析認為，此三極管EC正向電壓施加時，瞬間流經BE的正向電流過大，在CB反向擊穿前已EB已燒毀，而CE正向電壓施加時，EB的反向電壓上限只有7V，因此也是EB被擊穿。該故障現象與圖6中1號故障三極管失效現象一致。

（3）初步原因分析。根據上述分析，初步認為輸出信號失效主要是由于輸出回路外部存在較高浪涌電壓，導致輸出三極管擊穿，出現三極管短路，無法正常輸出。

2.3現車調查分析

為進一步調查信號輸出回路的外部環境，針對該種信號回路進行了現車浪涌電壓測試。測試工況包括：升、降弓及合真空斷路器（VCB）；測試點包括：電源與信號之間、信號與地之間及三極管CE之間。測試結果如圖9～圖11所示。測試結果表明：信號輸出回路存在1kV到3kV的浪涌電壓，該電壓是導致三極管損壞的根本原因。

圖9　電源與地之間浪涌

圖10　電源與信號之間浪涌

圖11　三極管CE之間浪涌

3 輸出電路優化及驗證

根據上述分析，信號輸出回路上的浪涌信號，是導致三極管損壞的根本原因。因此，為避免該類故障再次發生，導致列車部分功能喪失，影響列車運營。對該類信號輸出回路，提出了優化方案，主要是在輸出回路的增加浪涌吸收器件（壓敏電阻）保護信號輸出電路。優化后的電路如圖12所示。針對優化前后的電路，進行了浪涌試驗對比［4］，其結果如圖13和圖14所示。通過信號輸出回路優化前后的試驗對比，表明在輸出回路增加浪涌吸收器件，能有效的抑制浪涌電壓，起到對后續電路的保護功能，提高了信號輸出回路的可靠性。

圖12　優化后的電路

U285

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.02.008

1002-6673（2015）02-022-03

2015-03-09

楊正專（1982-），男，碩士研究生，工程師，高級設計師。