地鐵車輛照明驅動電源模塊故障分析

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摘要：針對南寧地鐵某項目車輛客室照明驅動電源模塊在應用中頻繁發(fā)生的短路故障，從驅動電源模塊的組成和控制原理進行分析，發(fā)現驅動電源模塊故障的根本原因為冗余電路設計不良，導致客室照明驅動電源模塊內部的DC48V電源模塊長期處于不良的工作狀態(tài)，導致驅動電源模塊故障。提出優(yōu)化驅動電源模塊冗余電路的解決方案，并通過實驗證明該方案，確保改進后安全、可靠。

關鍵詞：地鐵車輛；驅動電源模塊；DC48V電源模塊；反饋電路；冗余

目前，國內地鐵車輛客室照明普遍采用由驅動電源模塊控制的LED燈，其優(yōu)點在于：集中驅動控制，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動控制，安全可靠，采用LED照明大大提高了控制效率和質量。南寧地鐵車輛客室照明采用的是由驅動電源模塊控制的LED燈。正線運營時，車輛客室照明一直處于常開狀態(tài)，若驅動電源故障客室照明熄滅，將嚴重影響客運服務質量。本文針對地鐵車輛照明的驅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量。檢修人員打開繼電器柜檢查，發(fā)現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動電源的輸入電壓正常，測量驅動電源1輸出電壓為48.3V，驅動電源2輸出電壓為0.6V，故判斷為驅動電源模塊2內部故障，導致斷路器跳閘致使整側客室照明燈不亮。更換新的驅動電源模塊2后，客室照明恢復正常。拆開故障件驅動電源檢查內部元器件，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電源模塊內部元件損壞導致無DC48V電壓輸出。分解DC48V電源模塊，發(fā)現內部輸出陶瓷電容嚴重損壞，PCB內層大面積損壞嚴重，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)現故障信號反饋回路的R14、R32電阻均有不同程度燒損現象，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。

2故障原因分析

2.1驅動電源模塊組成

單節(jié)車客室照明有4個驅動電源模塊，每側各2個，同側2個驅動電源模塊采用并聯(lián)連接且互為冗余，當任一個驅動電源模塊發(fā)生故障時，另一個模塊仍能正常輸出電壓驅動整側照明模塊，同側2個驅動電源模塊共同驅動一側燈帶的數個光源（如3所示）；驅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。

2.2驅動電源模塊控制原理分析

客室照明驅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EMC電路防雷單元和濾波單元，通過DC110V轉DC48V電源模塊，經變壓器降壓隔離，最終輸出DC48V為光源模塊供電。此外，驅動電源內部設置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。驅動電源模塊原理圖如圖4所示。驅動電源中的控制單元模塊實現PWM調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PWM控制調光功能，當控制單元模塊故障時，調光功能失效，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，實現應急照明功能。從驅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，由于兩個驅動電源模塊呈熱冗余狀態(tài)，當任一個驅動電源模塊故障短路時，均會造成另一驅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。

2.3DC48V電源模塊原理分析

電源模塊其輸入端為DC110V，內部經過濾波再經變壓器降壓隔離整流后輸出DC48V，且同一側兩個客室照明驅動電源模塊中的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。

2.4R14、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)），U1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，經過光耦U3，觸發(fā)光耦內的三極管的“4”腳和“3”腳導通，DC110V電壓經過三極管后，一路電經過R14電阻，一路電經過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）客室照明驅動電源模塊故障原因為：兩個客室照明驅動電源模塊內部的DC48V電源模塊長期處于熱冗余狀態(tài)，電壓波動較大，導致DC48V電源模塊內部電容發(fā)熱，進而擊穿造成模塊內部短路。（2）內部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。

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，使兩驅動電源模塊由熱冗余變?yōu)槔淙哂酄顟B(tài)。如圖8所示，保險盒內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，實現冗余功能，有效避免兩驅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動電源模塊故障內部出現短路后不影響另一個驅動電源模塊的正常運轉，從而避免了客室照明熄滅故障。

4試驗

（1）將保險盒裝上后，兩驅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)可能導致驅動電源模塊出現相互干擾的問題。（2）將一個驅動電源模塊保險絲取掉，模擬當其中一個電源出現故障時，保險盒內的繼電器自動吸合，將故障驅動電源所帶燈具切換至正常電源帶載端，照明功能正常，實現冗余功能。（3）將一個電源內部的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。通過以上數據得出結論，增加保險盒后故障大大降低，有效避免了驅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。

參考文獻：

[1]楊恒.LED照明驅動電路設計與實例精選[M]，北京中國電力出版社，2008.

[2]來清民.高亮度LED照明及驅動電路設計[M],北京航空航天大學出版社，2012.

[3]桂林海威科技股份有限公司.南寧地鐵3號線客室照明驅動電源模塊內部組成及組成部分的作用說明[Z]，2018.

[4]桂林海威科技股份有限公司.南寧地鐵3號線客室照明系統(tǒng)維護手冊[Z]，2018.

作者：鄭吳富 姜送來 李文龍 單位：南寧軌道交通集團有限責任公司運營分公司