高压电源FMECA分析及其EMC测试技术研究

李菊 谈小虎 杨丽颖 邵鄂

摘 要：对高压电源的主要组成及功能进行了介绍，结合高压电源供电任务可靠性框图，利用危害性矩阵分析与风险优先数定性和定量分析，完成了综合FMECA分析表，确定了高压电源的关键部件与关键故障模式。高压电源的关键故障模式为控制系统无输出或输出不稳，结合试验现场的强电磁工作环境，给出了EMC测试要求，并针对测试结果对关键部件提出了加装EMI滤波器、压敏电阻或浪涌防护模块等优化措施，以确保高压电源在强电磁干扰环境下，能以最优异的工作状态保障生产效率。

关键词：高压电源;FMECA分析;关键故障模式;EMC测试

中图分类号：TM937.3    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2022）10-0085-04

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

0    引言

当考虑到专用系统的生产效率时，供电电源的可靠性水平至关重要。FMECA分析最重要的是尽量找到可能出现的故障模式，针对故障模式，分析發生原因，再对故障模式所具有的影响进行判别，了解其产生后果，并针对检测手段进行分析，最终给出设计改进和补偿的措施。同时，为验证设备在寿命周期内可能遇到的各种环境作用下能否实现其所有预定功能和性能，需要进行环境适应性试验。试验时，需要对此设备进行功能、性能和工作状态等检测或监视，FMECA识别的故障模式及相应的检测方法可为这种检测或监视的完备性评价提供支撑[1]。

1    高压电源

高压电源作为专用系统的供电设备，其主要由配电系统、控制系统和水冷系统等部分组成。其中，配电系统实现系统供电指示、启停、急停、控制系统和供电模块的供电;控制系统作为高压电源的核心部件，能实现三路电压的滤波、逆变和整流过程，同时负责实现电源的整机控制及冷却控制;水冷系统保证了整机的散热。在整个系统回路中，主高压电源为正接地负高压输出，副高压电源正极接在主高压电源负极上，灯丝电源一端悬浮接在副高压电源的负极上。如此搭接方式，使高压电源的三路电源都是高压。

高压电源组成框图如图1所示。

2    高压电源FMECA分析

FMECA包括故障模式及影响分析（FMEA）和危害性分析（CA）两部分。FMECA最重要的是尽量找到可能出现的故障模式，针对故障模式，分析发生原因，再对故障模式所具有的影响进行判别，了解其产生后果，并针对检测手段进行分析，最终给出设计改进和补偿措施[2]。

大功率高压电源的各组成部分都为保证电源正常开机不可缺少的部分，其中有任何一个部件发生故障，则整个电源就不能正常工作，因此，各组成部分之间为串联的逻辑关系，根据大功率高压电源的结构组成可得到其任务可靠性框图，如图2所示。

根据高压电源供电任务可靠性框图及试验的实际记录情况，在确定了系统的层次结构、功能，定义了故障模式的严酷度、故障模式发生概率等级、故障模式不可探测度等级后，对系统按层次逐层梳理，填写综合FMECA表，如表1所示。

利用上述指标，结合收集信息，确定了高压电源的薄弱环节及其故障模式，如表2所示。

综合系统级FMECA的RPN分析可知，高压电源风险优先数最高的故障模式（风险优先数为12）排较后位置，因此，其故障模式的优先等级也不占专用系统的重要位置，这主要是高压电源的故障不会导致专用系统出现安全级事故，其主要影响生产效率。后续将生产效率放入分析的首要位置，应加强对高压电源的故障分析与设计优化。

3    高压电源EMC测试及分析

综合考虑专用电源的工作环境，控制系统为高压电源的敏感部件，很容易受到电磁干扰，结合试验情况进行分析，造成控制系统故障的原因很可能是强电磁环境带来的干扰。因此，依据GB/T 17626开展了电快速瞬变脉冲群抗扰度试验和浪涌（冲击）抗扰度试验。

EFT电快速瞬变脉冲群抗扰度试验考核高压电源的输入电源端口在受到电快速瞬变脉冲群干扰时性能是否出现降级，试验等级为3级，开路输出试验电压±2 kV，脉冲重复频率100 kHz[3]。同时，采用示波器和高压探头监测各路的直流输出电压和电压纹波，试验结果如表3所示。

SURGE浪涌（冲击）抗扰度试验用于评估高压电源的供电电源端口是否能够承受该类浪涌冲击，试验等级为3级，开路试验电压线—线±1.0 kV，线—地±2.0 kV[4]。

同时，采用示波器和高压探头监测各路的直流输出电压和电压纹波，试验结果如表4所示。

在SURGE试验中，高压电源B级符合要求，其功能、性能暂时丧失或降低，但在骚扰停止后能自行恢复，不需要操作者干预，表明高压电源会暂时性失去功能，也会在一定程度上影响生产效率。

为避免此故障的复现，需在控制系统插箱部分采取一定的浪涌保护措施，如加装EMI滤波器、压敏电阻或浪涌防护模块[5]等。

4    结语

本文针对提升高压电源系统可靠性的需求，采用了FMECA的方法来对高压电源的故障模式进行分析，并给出了利用FMECA所收集的产品信息，通过危害性矩阵分析与维修性中的风险优先数分析，给出综合FMECA表。

利用上述指标，结合收集信息，确定了高压电源的薄弱环节及其故障模式。

结合高压电源所处的强电磁干扰工作环境，开展了抗扰度测试，并选取其控制系统输出端作为监测点，测试结果表明，为提高高压电源的生产效率，还需增加模块的抗浪涌冲击能力，以保证高压电源在强电磁干扰下能持续无故障工作。

[参考文献]

[1] 康京山.FMECA对于装备通用质量特性的作用分析[J].电子产品可靠性与环境试验，2020，38（5）：62-66.

[2] 周海京，遇今.故障模式、影响及危害性分析与故障树分析[M].北京：航空工业出版社，2003.

[3] 电磁兼容 试验和测量技术 电快速瞬变脉冲群抗扰度试验：GB/T 17626.4—2008[S].

[4] 电磁兼容 试验和测量技术 浪涌（冲击）抗扰度试验：GB/T 17626.5—2008[S].

[5] 朱文立，陈燕，郭远东.电子电器产品电磁兼容质量控制及设计[M].北京：电子工业出版社，2015.

收稿日期：2022-02-15

作者简介：李菊（1988—），女，河北廊坊人，硕士研究生，工程师，研究方向：专用电源可靠性技术。