南寧地鐵車輛客室照明驅(qū)動電源模塊故障分析

鄭吳富，姜送來，李文龍

（南寧軌道交通集團有限責任公司運營分公司，廣西 南寧 530001）

目前，國內(nèi)地鐵車輛客室照明普遍采用由驅(qū)動電源模塊控制的LED 燈，其優(yōu)點在于：集中驅(qū)動控制，色彩純度高，壽命長，節(jié)能環(huán)保，且可通過PWM 來控制照明亮度，使用低壓直流電源驅(qū)動控制，安全可靠，采用LED 照明大大提高了控制效率和質(zhì)量。南寧地鐵車輛客室照明采用的是由驅(qū)動電源模塊控制的LED 燈。正線運營時，車輛客室照明一直處于常開狀態(tài)，若驅(qū)動電源故障客室照明熄滅，將嚴重影響客運服務質(zhì)量。本文針對地鐵車輛照明的驅(qū)動電源模塊故障問題進行分析并提出相應解決方案。

1 故障案例

南寧地鐵某項目車輛在正線運營時，頻繁突發(fā)整側客室照明熄滅，嚴重影響正線運營服務質(zhì)量。檢修人員打開繼電器柜檢查，發(fā)現(xiàn)故障側對應的客室照明斷路器跳閘，復位后客室照明恢復正常。列車回庫后，檢查客室照明驅(qū)動電源模塊接線無松動、無毛刺，使用萬用表測量故障側照明的兩驅(qū)動電源的輸入電壓正常，測量驅(qū)動電源1 輸出電壓為48.3V，驅(qū)動電源2 輸出電壓為0.6V，故判斷為驅(qū)動電源模塊2 內(nèi)部故障，導致斷路器跳閘致使整側客室照明燈不亮。更換新的驅(qū)動電源模塊2 后，客室照明恢復正常。拆開故障件驅(qū)動電源檢查內(nèi)部元器件，使用萬用表測量DC48V電源模塊Vout 正負極腳之間阻抗為零，判斷為48V電源模塊內(nèi)部元件損壞導致無DC48V電壓輸出。分解DC48V電源模塊，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部輸出陶瓷電容嚴重損壞，PCB 內(nèi)層大面積損壞嚴重，如圖1 所示，電容損壞原因為兩個電源模塊中的DC48V模塊在熱冗余的狀態(tài)下長時間過壓、高溫工作，造成電容損壞。

檢查其他部件發(fā)現(xiàn)故障信號反饋回路的R14、R32 電阻均有不同程度燒損現(xiàn)象，如圖2 所示，使用萬用表測量R14、R32 電阻阻值相對標定值變小。

圖1 DC48V電源內(nèi)部圖

圖2 燒損的電阻R14、R32

2 故障原因分析

2.1 驅(qū)動電源模塊組成

單節(jié)車客室照明有4個驅(qū)動電源模塊，每側各2個，同側2個驅(qū)動電源模塊采用并聯(lián)連接且互為冗余，當任一個驅(qū)動電源模塊發(fā)生故障時，另一個模塊仍能正常輸出電壓驅(qū)動整側照明模塊，同側2個驅(qū)動電源模塊共同驅(qū)動一側燈帶的數(shù)個光源（如3 所示）；驅(qū)動電源模塊額定輸入電壓為DC110V，輸出電壓在DC43V-DC48V之間，主要由EMC電路、控制單元、48V電源模塊、12V電源模塊、5V電源模塊、故障反饋電路、冗余電路等組成。

圖3 單側客室照明分布圖

2.2 驅(qū)動電源模塊控制原理分析

客室照明驅(qū)動電源模塊從電客車取電DC110V，并設置斷路器控制整個照明回路。DC110V經(jīng)EMC 電路防雷單元和濾波單元，通過DC110V轉DC48V電源模塊，經(jīng)變壓器降壓隔離，最終輸出DC48V為光源模塊供電。此外，驅(qū)動電源內(nèi)部設置DC48V轉DC12V電源模塊，輸出DC12V，主要為模塊中集成運算放大器提供DC12V工作電壓；同時，設置DC12V轉DC5V模塊，主要為處理器STM8 單片機提供工作電壓。驅(qū)動電源模塊原理圖如圖4 所示。

驅(qū)動電源中的控制單元模塊實現(xiàn)PWM 調(diào)光控制和應急照明控制功能，通過控制光耦通斷頻率來控制MOS 管Q2 的導通與關斷，從而改變回路電流大小，實現(xiàn)PWM 控制調(diào)光功能，當控制單元模塊故障時，調(diào)光功能失效，照明呈100%亮度，另設應急電路將故障應急信號反饋給單片機處理，實現(xiàn)應急照明功能。

圖4 驅(qū)動電源模塊原理圖

從驅(qū)動電源模塊控制原理圖整體分析可知，造成整側照明不亮的原因主要分兩種情況，第一為冗余電路，由于兩個驅(qū)動電源模塊呈熱冗余狀態(tài)，當任一個驅(qū)動電源模塊故障短路時，均會造成另一驅(qū)動電源模塊接地而無法正常工作；第二種情況即列車DC110V電路短路接地造成過流導致斷路器跳閘。

2.3 DC48V電源模塊原理分析

電源模塊其輸入端為DC110V，內(nèi)部經(jīng)過濾波再經(jīng)變壓器降壓隔離整流后輸出DC48V，且同一側兩個客室照明驅(qū)動電源模塊中的DC48V一直處于熱冗余狀態(tài)，熱冗余狀態(tài)下導致DC48V電源模塊功耗變大，其中，功耗主要表現(xiàn)為熱量損耗，P=U·I，W=∫UIdt=U·I·t，隨著應用時間t 的累加，模塊內(nèi)部熱量若迅速累積到一定程度不能及時散熱，造成電容元器件的損壞。

2.4 R14、R32 電阻原理分析

R14、R32 為故障反饋電路電阻，故障反饋電路包含電壓比較器和故障反饋，通過電壓的比較是否正常來控制故障反饋電路信號的通斷，電壓比較器是一種常用集成運算電路，在驅(qū)動電源模塊中用于監(jiān)測電源電壓，如圖5 所示，待比較電壓：參考電壓：U3=12V，當U2＞U3（正常狀態(tài)）U1 輸出低電平即“1”與“4”腳導通接地，故障預警紅燈不亮；當U2＜U3（故障狀態(tài)）輸出高電平即“1”腳和“4”腳斷開，則故障預警紅燈亮，并將故障信號GZ 輸出給反饋端，從而實現(xiàn)故障預警功能。

當DC48V電源模塊故障，電壓比較器中“1”“4”腳斷開，如圖6 所示，電流從GZ 點輸入，經(jīng)過光耦U3，觸發(fā)光耦內(nèi)的三極管的“4”腳和“3”腳導通，DC110V電壓經(jīng)過三極管后，一路電經(jīng)過R14 電阻，一路電經(jīng)過R30 電阻給DXMe反饋故障信息，若長時間處于故障狀態(tài)，R14 電阻一直通電發(fā)熱導致燒損短路，DC110V短路接地，造成DC110V的斷路器跳閘，同側兩個驅(qū)動電源模塊失電，整側客室照明熄滅。

2.5 故障原因分析總結

（1）客室照明驅(qū)動電源模塊故障原因為：兩個客室照明驅(qū)動電源模塊內(nèi)部的DC48V電源模塊長期處于熱冗余狀態(tài)，電壓波動較大，導致DC48V電源模塊內(nèi)部電容發(fā)熱，進而擊穿造成模塊內(nèi)部短路。

（2）內(nèi)部DC48V電源模塊發(fā)生故障后，反饋電路的電阻在長時間通電狀態(tài)下發(fā)熱，電阻燒損短路造成DC110V電路短路接地，過流引發(fā)斷路器跳閘，造成整側照明熄滅。

圖5 電壓比較器

圖6 故障反饋電路

3 解決方案

故障原因出自冗余電路，解決方案為在冗余電路中增加保險盒，如圖7 所示。在冗余電路中加一個保險盒，使兩驅(qū)動電源模塊由熱冗余變?yōu)槔淙哂酄顟B(tài)。

圖7 冗余電路加裝保險盒

如圖8 所示，保險盒內(nèi)部原理為兩個電源正常情況下，比較器輸出低電平，繼電器K1 不工作，兩個電源輸出冗余端分開單獨帶載，處于冷冗余狀態(tài)，避免對DC48V電源模塊的沖擊。

如圖9 所示，當其中一個電源出故障無48V輸出時，比較器輸出高電平，12V電壓通過電阻R11 將電壓信號給到三極管Q31 腳，K1 繼電器動作，分隔故障電源，且自動接到正常電源48V輸出端，實現(xiàn)冗余功能，有效避免兩驅(qū)動電源模塊長期處于熱冗余狀態(tài)造成電壓波動損壞DC48V電源模塊，也可避免當有一個驅(qū)動電源模塊故障內(nèi)部出現(xiàn)短路后不影響另一個驅(qū)動電源模塊的正常運轉，從而避免了客室照明熄滅故障。

圖8 K1 繼電器原理圖

圖9 保險盒比較器原理圖

4 試驗

（1）將保險盒裝上后，兩驅(qū)動電源模塊輸出端被隔斷單獨帶載即將熱冗余切換為冷冗余，測量兩驅(qū)動電源模塊的輸出電壓穩(wěn)定，解決熱冗余狀態(tài)可能導致驅(qū)動電源模塊出現(xiàn)相互干擾的問題。

（2）將一個驅(qū)動電源模塊保險絲取掉，模擬當其中一個電源出現(xiàn)故障時，保險盒內(nèi)的繼電器自動吸合，將故障驅(qū)動電源所帶燈具切換至正常電源帶載端，照明功能正常，實現(xiàn)冗余功能。

（3）將一個電源內(nèi)部的12V對短路時，未發(fā)生整側照明熄滅和斷路器跳閘故障，另一個電源正常工作，同時，實現(xiàn)了兩個電源間的12V冗余，將正常電源的12V冗余給到故障電源，故障反饋電路正常工作。

5 執(zhí)行改造措施后的效果跟蹤

通過對客室照明驅(qū)動電源模塊增加保險盒后，跟蹤6個月，統(tǒng)計整側客室照明故障發(fā)生0 起，DC48V電源模塊故障0 起。通過以上數(shù)據(jù)得出結論，增加保險盒后故障大大降低，有效避免了驅(qū)動電源模塊故障頻發(fā)。

6 結語

本文結合實際典型故障案例，對客室照明驅(qū)動電源模塊進行拆解分析，得出故障原因為DC48V電源故障和冗余電路問題，最后，提出相應的解決方案并進行驗證后跟蹤，有效避免了地鐵車輛客室照明故障頻發(fā)，可為地鐵行業(yè)客室照明提供一定借鑒。