高壓電源FMECA分析及其EMC測試技術研究

李菊 談小虎 楊麗穎 邵鄂

摘 要：對高壓電源的主要組成及功能進行了介紹，結合高壓電源供電任務可靠性框圖，利用危害性矩陣分析與風險優先數定性和定量分析，完成了綜合FMECA分析表，確定了高壓電源的關鍵部件與關鍵故障模式。高壓電源的關鍵故障模式為控制系統無輸出或輸出不穩，結合試驗現場的強電磁工作環境，給出了EMC測試要求，并針對測試結果對關鍵部件提出了加裝EMI濾波器、壓敏電阻或浪涌防護模塊等優化措施，以確保高壓電源在強電磁干擾環境下，能以最優異的工作狀態保障生產效率。

關鍵詞：高壓電源;FMECA分析;關鍵故障模式;EMC測試

中圖分類號：TM937.3? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2022）10-0085-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.10.023

0? ? 引言

當考慮到專用系統的生產效率時，供電電源的可靠性水平至關重要。FMECA分析最重要的是盡量找到可能出現的故障模式，針對故障模式，分析發生原因，再對故障模式所具有的影響進行判別，了解其產生后果，并針對檢測手段進行分析，最終給出設計改進和補償的措施。同時，為驗證設備在壽命周期內可能遇到的各種環境作用下能否實現其所有預定功能和性能，需要進行環境適應性試驗。試驗時，需要對此設備進行功能、性能和工作狀態等檢測或監視，FMECA識別的故障模式及相應的檢測方法可為這種檢測或監視的完備性評價提供支撐[1]。

1? ? 高壓電源

高壓電源作為專用系統的供電設備，其主要由配電系統、控制系統和水冷系統等部分組成。其中，配電系統實現系統供電指示、啟停、急停、控制系統和供電模塊的供電;控制系統作為高壓電源的核心部件，能實現三路電壓的濾波、逆變和整流過程，同時負責實現電源的整機控制及冷卻控制;水冷系統保證了整機的散熱。在整個系統回路中，主高壓電源為正接地負高壓輸出，副高壓電源正極接在主高壓電源負極上，燈絲電源一端懸浮接在副高壓電源的負極上。如此搭接方式，使高壓電源的三路電源都是高壓。

高壓電源組成框圖如圖1所示。

2? ? 高壓電源FMECA分析

FMECA包括故障模式及影響分析（FMEA）和危害性分析（CA）兩部分。FMECA最重要的是盡量找到可能出現的故障模式，針對故障模式，分析發生原因，再對故障模式所具有的影響進行判別，了解其產生后果，并針對檢測手段進行分析，最終給出設計改進和補償措施[2]。

大功率高壓電源的各組成部分都為保證電源正常開機不可缺少的部分，其中有任何一個部件發生故障，則整個電源就不能正常工作，因此，各組成部分之間為串聯的邏輯關系，根據大功率高壓電源的結構組成可得到其任務可靠性框圖，如圖2所示。

根據高壓電源供電任務可靠性框圖及試驗的實際記錄情況，在確定了系統的層次結構、功能，定義了故障模式的嚴酷度、故障模式發生概率等級、故障模式不可探測度等級后，對系統按層次逐層梳理，填寫綜合FMECA表，如表1所示。

利用上述指標，結合收集信息，確定了高壓電源的薄弱環節及其故障模式，如表2所示。

綜合系統級FMECA的RPN分析可知，高壓電源風險優先數最高的故障模式（風險優先數為12）排較后位置，因此，其故障模式的優先等級也不占專用系統的重要位置，這主要是高壓電源的故障不會導致專用系統出現安全級事故，其主要影響生產效率。后續將生產效率放入分析的首要位置，應加強對高壓電源的故障分析與設計優化。

3? ? 高壓電源EMC測試及分析

綜合考慮專用電源的工作環境，控制系統為高壓電源的敏感部件，很容易受到電磁干擾，結合試驗情況進行分析，造成控制系統故障的原因很可能是強電磁環境帶來的干擾。因此，依據GB/T 17626開展了電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗和浪涌（沖擊）抗擾度試驗。

EFT電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗考核高壓電源的輸入電源端口在受到電快速瞬變脈沖群干擾時性能是否出現降級，試驗等級為3級，開路輸出試驗電壓±2 kV，脈沖重復頻率100 kHz[3]。同時，采用示波器和高壓探頭監測各路的直流輸出電壓和電壓紋波，試驗結果如表3所示。

SURGE浪涌（沖擊）抗擾度試驗用于評估高壓電源的供電電源端口是否能夠承受該類浪涌沖擊，試驗等級為3級，開路試驗電壓線—線±1.0 kV，線—地±2.0 kV[4]。

同時，采用示波器和高壓探頭監測各路的直流輸出電壓和電壓紋波，試驗結果如表4所示。

在SURGE試驗中，高壓電源B級符合要求，其功能、性能暫時喪失或降低，但在騷擾停止后能自行恢復，不需要操作者干預，表明高壓電源會暫時性失去功能，也會在一定程度上影響生產效率。

為避免此故障的復現，需在控制系統插箱部分采取一定的浪涌保護措施，如加裝EMI濾波器、壓敏電阻或浪涌防護模塊[5]等。

4? ? 結語

本文針對提升高壓電源系統可靠性的需求，采用了FMECA的方法來對高壓電源的故障模式進行分析，并給出了利用FMECA所收集的產品信息，通過危害性矩陣分析與維修性中的風險優先數分析，給出綜合FMECA表。

利用上述指標，結合收集信息，確定了高壓電源的薄弱環節及其故障模式。

結合高壓電源所處的強電磁干擾工作環境，開展了抗擾度測試，并選取其控制系統輸出端作為監測點，測試結果表明，為提高高壓電源的生產效率，還需增加模塊的抗浪涌沖擊能力，以保證高壓電源在強電磁干擾下能持續無故障工作。

[參考文獻]

[1] 康京山.FMECA對于裝備通用質量特性的作用分析[J].電子產品可靠性與環境試驗，2020，38（5）：62-66.

[2] 周海京，遇今.故障模式、影響及危害性分析與故障樹分析[M].北京：航空工業出版社，2003.

[3] 電磁兼容 試驗和測量技術 電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗：GB/T 17626.4—2008[S].

[4] 電磁兼容 試驗和測量技術 浪涌（沖擊）抗擾度試驗：GB/T 17626.5—2008[S].

[5] 朱文立，陳燕，郭遠東.電子電器產品電磁兼容質量控制及設計[M].北京：電子工業出版社，2015.

收稿日期：2022-02-15

作者簡介：李菊（1988—），女，河北廊坊人，碩士研究生，工程師，研究方向：專用電源可靠性技術。