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FMEA技术在变换器设计中的应用
- 【导读】
- 以一种卫星用直流一直流变换器产品为例，介绍了FMEA在产品设计中的应用。针对潜在的故降模式，提出了改进设计的一些基本方法。这为保证直流一直流变换器产品在轨正常工作以及实
摘要:以一种卫星用直流一直流变换器产品为例，介绍了FMEA在产品设计中的应用。针对潜在的故降模式，提出了改进设计的一些基本方法。这为保证直流一直流变换器产品在轨正常工作以及实现其现场可靠性指标提供了重要依据。
1 引言
故障模式与影响分析(FMEA: Failure Modes and Effects Analysis)就是在产品设计过程中，通过对产品各组成单元潜在的各种故障模式及其对产品功能的影响进行分析，找出设计中的缺陷和薄弱环节，并制定和实施各种改进与控制措施，以提高产品可靠性的一种设计分析方法。FMEA是一种因果关系的定性分析方法，体现了预防为主的设计思想。
2 FMEA的工作程序
FMEA的工作程序如图1所示。
图1 FMEA的工作程序
2.1 定义产品
进行FMEA的第一步是定义产品，即确定被分析产品的特性，它包括对产品的每项任务、每个任务阶段、以及各种工作方式给出的其主要与次要的功能、故障判据、环境等约束条件。定义产品主要包括定义产品的功能要求、定义环境剖面、确定任务时间3个方面。
2.2 确定分析的约定层次
根据分析的需要，按产品的相对复杂程度或功能关系进行产品层次的划分，包括初始约定层次和最低约定层次。
2.3 建立方框图
方框图用来描述产品各功能单元的工作情况、相互影响及相互依赖的关系，以便可以逐层分析故障模式产生的影响。这些方框图应表明产品的所有输人及输出，每一方框应有统一的标号，以反映系统功能的分级顺序。对于替换的工作方式，一般需要一个以上的方框图表示。方框图包括功能方框图和可靠性方框图。
2.4 确定分析方法
进行FMEA有两种基本方法:功能法和硬件法，一般功能法适用于研制的早期阶段，而硬件法适用于研制的晚期阶段。
2.5 填写FMEA表
进行FMEA的典型做法是用统一规范的FMEA表逐步分析及填写，可以采用GJB 1391-92中的表1，也可根据需要修改、增补或删减一些内容。
2.6 编写FMEA报告
根据产品可靠性工作计划的要求，将编写FMEA报告。该报告作为进一步设计的参考，对设计的改进、完善起着重要的指导作用。
3 变换器的用途及其方框图
3.1 变换器的用途
卫星与飞船上有大量不同用途的分系统、设备和部件，而直流一直流变换器(以下简称变换器)亦称二次电源，它的作用是将星船上供配电分系统一次电源母线的直流电压及功率变换为其它分系统、设备和部件工作时所需要的各种二次电源母线的直流电压及功率，并将一次电源与各用电负载进行隔离。
3.2 变换器的功能方框图
按技术规范的要求，通过对多种设计方案的比较及与之相应的工作限制，确定了一种典型的双路输出(即正电压和负电压电源输出，简称正电源输出和负电源输出)变换器的功能方框图如图2所示。其中备份电源与主份电源内部组成完全一样(共用的双路主备份隔离电路只记人主份电源中)，且备份电源采用热备份形式。
图2 变换器的功能方框图
作为长寿命通信卫星在轨飞行期间的设备之一，变换器是一种不可修产品，对其可靠性指标要求是:在同步轨道阶段，在星内标准工况下，连续工作15年，工作寿命末期可靠度≥0.999。
对于如此之高的可靠性指标要求，通过对基础元器件的可靠性水平、非冗余和冗余方案的技术可行性、研制周期和费用，以及重量、体积和功耗的限制等方面进行权衡分析后，确定了对变换器的主份电源进行冗余设计。备份电源的存在，在提高变换器任务可靠性的同时，也提高了其安全性和生存能力。
备份形式一般有热备份和冷备份两种，考虑到这种变换器所带的负载，即卫星服务舱电源控制器工作任务的重要性以及工作期间不许断电的要求，备份电源采用了热备份形式。
3.3 变换器的可靠性方框图
对应图2的变换器的可靠性方框图如图3所示。其中主、备份电源均是其内部各功能电路的串联；正、负电源输出滤波、输出遥测电路分别是正电源输出滤波电路和负电源输出滤波电路的串联以及正电源输出遥测电路和负电源输出遥测电路的串联。
图3 变换器的可幸性方框图
可以看出，似乎图3后面4个方框图所代表的各功能电路都存在着单点失效，但由于构成这些功能电路的电阻、电容、二极管、MOSFET等元器件，考虑到各自的主要故障模式及其频数比，同类元器件将进行相应的串联(针对短路故障模式)或并联(针对开路故障模式)；以及各类变压器、电感等磁性器件的线圈采用多股电磁线并绕，并采用双焊盘焊接并辅之以绝缘导热胶固定，实际上消除了单点失效。这种冗余设计方法的采用提高了变换器的可靠性。
4 严酷度等级确定
按变换器的潜在故障对一次电源母线和各用电负载影响的程度，并考虑到故障所造成的最坏的后果，参考GJB 1391-92中的确定方法，确定了严酷度等级，如表1所示。
表1变换器FMEA严酷度等级划分
5 变换器的FMEA分析方法
在变换器的方案阶段，实现如图2所示的诸功能电路的设计图样、装配图等尚未完成，硬件不能确切确定，因此，采用功能法进行FMEA，它是以变换器的功能电路输出的故障模式及其影响为基础的分析方法。
5.1 分析的约定层次
初始约定层次确定为变换器，最低约定层次的确定取决于对产品进行FMEA的总体要求和产品的实际情况。根据产品可靠性工作计划的要求，由于处在方案阶段，因此，最低约定层次确定为功能电路。
5.2 分析结果和讨论
采用功能法进行FMEA，分析的对象是变换器的21个功能电路的32种故障模式，分析结果如表2所示(节选部分)。在故障影响栏目中，本级产品指变换器，上级产品指一次母线和变换器所带的负载。需要强调的是:
表2变换器FMEA工作表(部分)
1)一是在变换器备份电源的切换、故障检测与隔离环节的故障模式分析中，要确保备份电源的作用不被上述接口的故障影响所抵消，凡无法独立检测备份电源故障的环节均应视作潜在的单点失效并应从设计上予以消除；
2)要重视变换器与一次母线的输人接口及变换器与所带负载的愉出接口的故障模式的识别与分析。
6 结束语
功能法较硬件法而言，其FMEA的工作量大大降低，这是此法的优点；缺点是比较粗糙，有可能会忽略某些故障模式。随着变换器研制的展开，可获信息也在增多，FMEA要随着进行深化、修改，因此，在功能法的基础上还要进行硬件法的FMEA工作。
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