基于替代模型的单粒子瞬态效应注入

杨笑悦，　阳春华，　彭　涛，　史　露，　杨　超

基于替代模型的单粒子瞬态效应注入

杨笑悦，阳春华，彭涛，史露，杨超

（中南大学信息科学与工程学院，长沙410083）

牵引传动控制系统是高速列车的动力关键系统，牵引传动控制单元（TCU）的故障会引发高速列车的动力丧失.电磁辐射环境下的单粒子瞬态效应（SET）是引发TCU故障的主要原因.采用传统物理方法进行的SET测试具有一定的风险和成本，提出一种基于替代模型的SET注入方法.根据双指数模型建立SET注入替代模型，对TCU输出的信号进行SET的注入，解决在系统级虚拟仿真平台上无法对SET进行有效注入的问题，通过试验仿真验证该方法的可行性.为实时故障诊断、隔离和容错技术的研究提供较为真实可靠的故障模拟环境.

故障注入；替代模型；单粒子瞬态效应；虚拟仿真；牵引控制单元

我国高速铁路发展迅速，形成具有中国特色的高铁技术体系，总体技术水平和应用水平居世界领先［1］.牵引传动控制系统作为高速列车动力的关键系统，关系到高速列车的运行可靠性，其核心控制模块——牵引控制单元（Traction Control Unit，TCU）通过牵引变流器经过交流—直流—交流变换，实现对三相交流牵引电机的控制，对牵引传动控制系统的安全工作有至关重要的作用［2-3］.

在高速列车运行过程中，电磁辐射干扰与外部环境的工频干扰产生的高能带电粒子，在穿过TCU内部微电子器件灵敏区时沉积电荷能量，造成器件的错误逻辑状态或硬损伤，这种现象称为单粒子效应（SEE）［4］.其中，单粒子瞬态效应（Single Event Transient，SET）是由于错误瞬态脉冲在组合逻辑电路中传播引起的脉冲宽度和幅度改变现象［5］，对TCU输出的调制信号造成直接影响，进而影响牵引传动控制系统的正常运行.

目前，对SET效应的模拟多集中在器件的物理层级和电气层级.传统注入方式集中在激光照射和重离子轰击，需要额外的测试设备，主要改变实际器件的物理特性，可能对器件造成损伤，增加测试成本［6］.文献［7］中基于量化思想，对VLSI组合逻辑门的传输延迟进行处理，提出使用FPGA硬件的模拟SET量化模型，对大规模电路进行SET注入；文献［8］中研发仿真工艺库技术，通过修改故障单元库和电路代码，利用FPGA实现硬件加速，实现对门级电路的SET效应注入；文献［9］中对SET在逻辑电路中的脉冲扩展和传播效应进行研究，并加入容性负载对SET的脉冲扩展效应进行注入.以上方法均针对单个器件或电路结构进行SET效应注入.

在对高速列车牵引传动控制系统的仿真中，多采用虚拟仿真与半实物仿真相结合的手段［10］，特别是虚拟仿真平台，由于仿真抽象层级较高、仿真模型模块化，TCU中的计算单元和总线结构无法在电气层级或物理层级上进行仿真，因此尚未在高速列车的虚拟仿真平台中开展SET效应的注入.

本文在高速列车牵引传动控制系统虚拟仿真平台基础上，针对TCU用SET脉冲的双指数模型建立替代注入模型，实现在系统级别虚拟仿真平台的SET注入，通过对仿真结果的分析，证明该方法的有效性.

1　SET注入替代模型

1.1SET对TCU输出控制信号的影响

CRH 2逆变器模块采用三电平桥拓扑结构（见图1），通过TCU产生的空间矢量脉冲宽度调制（SVPWM）信号控制IGBT的关断，实现对牵引电机的控制效果.当外部环境的电磁辐射干扰对TCU内的器件产生类似粒子碰撞情况，器件材料通过直接电离作用产生累积有效电离电荷并被器件敏感节点收集后，会导致器件工作状态、逻辑状态、输出电平发生变化（见图2），产生SET［11-12］.

图1　CRH 2逆变器三电平桥拓扑结构Fig.1　Topology of threelevel bridges in CRH 2 Inverter

图2　SET在逻辑电路的传播Fig.2　Propagation of SET in logic circuit

对于TCU，SET可形成瞬态电压或电流脉冲（见图3），并传播到存储单元输入端，间接造成存储单元翻转；另外，由于TCU的工作频率高，导致SET脉冲宽度的捕获概率高，SET最终表现为器件输出的外部特性或内部错误引发的功能故障，如时钟抖动、串扰、脉宽扩展等［13-14］.考虑在系统级的虚拟仿真平台中，由于仿真抽象层级较高，器件物理层级和电气层级的仿真受限，需要对模型转化后进行注入.

图3　Cu轰击下的单粒子瞬态脉冲Fig.3　Single event transient pulse under Cu particle bombardment

1.2SET注入替代模型

为模拟SET产生的瞬态脉冲，根据脉冲形状和变化趋势，从器件层级对单粒子瞬态脉冲进行建模，电流或电压的脉冲尖峰可表示成1个电流源或电压源，并采用以下双指数模型［15］表示：

式中：A为脉冲幅值相关系数；p1和p2为脉冲时间沿系数.

牵引传动控制单元输出的IGBT基极驱动信号为数字信号.在进行SET注入时，只需考虑有效脉冲宽度，通过对双指数模型进行替代转化，得到SET注入替代模型

式中：t为注入时刻；Wp为脉冲宽度；Ap为脉冲幅度；τR和τF分别表示脉冲的下降沿与上升沿宽度.定义TCU输出引脚阈值电压为

通过对上升沿与下降沿对应时间点t［1］，t［2］的求解，得到单粒子效应注入替代模型的脉冲宽度.单粒子瞬态注入替代模型生成过程见图4.

图4　单粒子瞬态注入替代模型生成Fig.4　Generation of SETs substitution model

1.3基于替代模型的SET注入

针对高速列车虚拟仿真平台中TCU进行SET的注入，利用SET的典型双指数模型，建立SET注入替代模型，在MATLAB／SIMULINK搭建的CRH 2牵引传动系统虚拟仿真平台上，实现SET的注入过程.SET替代模型注入流程见图5.

图5　SET替代模型注入流程Fig.5　Injection process of SETs substitution model

故障注入模块FIU设置在TCU与逆变器三电平桥模块之间，改变TCU输出信号特征；单粒子瞬态脉冲模型参数加载到FIU中进行计算，输出干扰后的数字脉冲信号，从而达到SET注入的目的，如图6所示.

图6　SET注入模块Fig.6　Injection module of SETs

2　仿真分析

CRH 2牵引传动虚拟仿真平台依据实际电气参数和主电路拓扑结构，采用间接矢量控制策略对牵引电动机模型进行控制，在此平台基础上实现对TCU的SET注入.基于MATLAB／SIMULINK的CRH 2牵引传动虚拟仿真平台见图7.

图7　CRH 2牵引传动控制系统虚拟仿真平台Fig.7　Virtual simulation platform of CRH 2 traction drive control system

SET注入模块内部结构通过对双指数模型的参数设定得到SET注入脉冲模型，在仿真时间内实现特定时刻的SET注入，见图8.仿真注入位置见图9，即A相上桥臂第一个IGBT驱动信号.CRH 2牵引传动系统部分参数见表1，仿真参数（UTH=4 V，A=25）见表2，仿真时间为1 s.通过牵引传动系统现有传感器，观测单粒子瞬态注入后的波形图.

图8　SET注入模块内部结构Fig.8　Internal structure of SETs injection module

图9　单粒子瞬态脉冲注入点Fig.9　Injection position of SETs pulse

表1　CRH 2牵引传动系统部分参数Tab.1　Parameters of CRH 2 traction drive control system

表2　仿真参数Tab.2　Simulation parameters

由仿真结果可知，改变双指数模型的参数值可以直接得到不同注入信号的替代模型，并能在不同时刻对IGBT的基极信号进行注入，通过逆变器三相电流信号的观察，实现对SET的有效注入.正常运行状态下三相电流与中间直流环节信号见图10.

在0.5 s注入不同的单粒子瞬态脉冲（由p1和p2决定），对A相上桥臂的IGBT控制信号进行干扰，车载三相电流传感器输出的电流信号分别见图11和12.从0.5 s时刻开始产生明显畸变，在单粒子瞬态脉冲消失后电流信号恢复正常.

图10　正常运行状态下三相电流与中间直流环节信号Fig.10　Signals of threephase current and DC link voltage in normal running status

图11　SET脉冲p1=¯500，p2=¯1 000注入后传感器信号Fig.11　Sensors’signals after injection of SETs pulse（p1=¯500，p2=¯1 000）

图12　SET脉冲p1=¯5 000，p2=¯8 000注入后传感器信号Fig.12　Sensors’signals after injection of SETs pulse（p1=¯5 000，p2=¯8 000）

3　结　语

针对高速列车牵引传动虚拟仿真平台中的牵引传动控制单元，提出一种基于替代模型的SET注入方法，通过在TCU与IGBT之间设计注入模块，改变TCU输出驱动信号的特性，完成SET注入真实有效.

［1］Chen C L.Reshaping Chinese space-economy through high-speed trains：opportunities and challenges［J］.J Transport Geography，2012，22（1）：312-316.

［2］Guzinski J，Abu-Rub H，Diguet M，et al.Speed and load torque observer application in high-speed train electric drive［J］.Ind Electron，IEEE Trans，2010，57（2）：565-574.

［3］赵震，任晋旗，王苏敬，等.交流传动系统牵引控制单元的研究与设计［J］.铁道机车车辆，2014，34 （3）：5-9.

［4］Irom F，Nguyen D N.Single event effect characterization of high density commercial NAND and NOR nonvolatile flash memories［J］.Nucl Sci，IEEE Trans，2007，54（6）：2547-2553.

［5］Narasimham B，Ramachandran V，Bhuva B L，et al. On-chip characterization of single-event transient pulsewidths［J］.Device&Mat Reliability，IEEE Trans，2006，6（4）：542-549.

［6］Hsueh M C，Tsai T K，Iyer R K.Fault injection techniques and tools［J］.Computer，1997，30（4）：75-82.

［7］周婉婷，靳丽娜，叶世旺.单粒子瞬态效应硬件注入模型实现和仿真［J］.微电子学与计算机，2014，31（9）：84-87.

［8］郑宏超，范隆，岳素格，等.基于库替换技术的单粒子效应故障注入仿真［J］.微电子学与计算机，2009 （7）：60-64.

［9］Wirth G，Kastensmidt F L，Ribeiro I.Single event transients in logic circuits-load and propagation induced pulse broadening［J］.Nucl Sci，IEEE Trans，2008，55（6）：2928-2935.

［10］冯江华，王坚，李江红.高速列车牵引传动系统综合仿真平台的分析与设计［J］.铁道学报，2012，34 （2）：21-26.

［11］Irom F，Nguyen D N，Allen G R.Single event effect and total ionizing dose results of highly scaled flash memories［C］／／Radiat Effects Data Workshop （REDW）.2013：1-4.

［12］Tan F，Huang R，An X，et al.Total ionizing dose （TID）effect and single event effect（SEE）in quasi-SOI n MOSFETs［J］.Semiconductor Sci&Technol，2014，29（1）：015010.

［13］Ahlbin J R，Gadlage M J，Atkinson N M，et al. Effect of multiple-transistor charge collection on single-event transient pulse widths［J］.Device&Mat Reliability，IEEE Trans，2011，11（3）：401-406.

［14］Bi J S，Zeng C B，Gao L C，et al.Effects of metal spacing and poly-silicon layers on pulsed-laser single event transient testing［C］／／Int Conf Microelectronic Test Structures（ICMTS）.2014：207-212.

［15］Guo S，Li J，Gui P，et al.Single-event transient effect on a self-biased ring-oscillator PLL and an LC PLL fabricated in SOS technology［J］.Nucl Sci，IEEE Trans，2013，60（6）：4668-4672.

（编辑俞红卫）

Single Event Transient lnjection Method Based on Substitution Model

（School of IYnfAorNmGat Xioia no Sycuieen，ceY anAdN EGn C gihnuenerhiunag，，CePnEtrNalG S Toa uo th， US niH veIrs Lituy，，CYhAanNgsGh aCh 4a1o0083，China）

Traction drive control system is the power source of high speed train，the faults of traction control unit cause the loss of power.Single event transient is the main source which causes faults in traction control unit（TCU）.Due to the risk and cost of traditional physical testing methods，substitution model based single event transient（SET）method was proposed in this paper.In this method，the SET injection substitution model was built by applying double exponent model to inject the single event transient into the output of TCU.The proposed method could solve the problems that the SET was unavailable to be injected in the virtual simulation platform，and the simulations verified its feasibility. This method could afford a reliable simulation environment for the research on the real time faults diagnosis，faults isolation and tolerant technique.

fault injection；substitution model；single event transient（SET）；virtual simulation；traction cont rolunit（TCU）

V 448.15

A

1671-7333（2015）03-0299-06

10.3969／j.issn.1671-7333.2015.03.017

2015-01-16

国家自然科学基金重大项目（61490702）

杨笑悦（1987-），女，博士生，主要研究方向为系统仿真与故障测试.E-mail：xyyeoh＠qq.com

彭涛（1965-），女，教授，博士生导师，主要研究方向为流程设备、复杂工业过程和复杂动态系统的故障诊断研究. E-mail：pandtao＠csu.edu.cn