高速動(dòng)車組牽引變流器功率模塊故障的研究

吳 楠 金文斌 張君穎

(中車長春軌道客車股份有限公司，130113，長春∥第一作者，工程師)

運(yùn)行于京滬客運(yùn)專線及其支線的某高速動(dòng)車組(以下稱為“案例動(dòng)車組”)自投入運(yùn)營以來，經(jīng)常發(fā)生牽引變流器功率模塊故障，影響了列車的正常穩(wěn)定運(yùn)行。為了解決這一問題，本文針對案例動(dòng)車組的牽引變流器功率模塊(以下簡為“功率模塊”)故障進(jìn)行研究，分析故障發(fā)生的原因，從而找到解決問題的辦法。

1 功率模塊故障的描述

發(fā)生功率模塊故障時(shí)，案例動(dòng)車組運(yùn)行工況皆為正常工況，采用正常運(yùn)行模式，且動(dòng)車組運(yùn)行速度為300 km/h。

高速動(dòng)車組功率模塊包括整流模塊與逆變模塊，其主要用于對牽引用單相交流電的整流與逆變。首先，牽引變流器內(nèi)部的4QC(四象限整流器)將來自變壓器的單相交流電轉(zhuǎn)換成直流電；然后，由PWMI(電機(jī)變流器模塊)將該直流電轉(zhuǎn)換成電壓幅值、頻率可變的三相交流電，以供給三相交流異步牽引電機(jī)。牽引變流器通過對4QC和PWMI的控制來實(shí)現(xiàn)列車的牽引、調(diào)速和制動(dòng)[1]，通過對逆變器輸出電流幅值及頻率的控制來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速的控制。

進(jìn)一步分析可知，功率模塊實(shí)質(zhì)上是通過組裝在整流模塊與逆變模塊的IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)元件門極控制，來實(shí)現(xiàn)對電流的整流逆變功能。高速動(dòng)車組采用IGBT作為開關(guān)器件的調(diào)制器和高壓電源，具有效率高、體積小、質(zhì)量輕、可靠性高、易模塊化設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，其使用和維護(hù)費(fèi)用也較低。但I(xiàn)GBT的驅(qū)動(dòng)電路要求驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、保護(hù)迅速有效[2],若功率模塊發(fā)生故障，導(dǎo)致牽引變流器控制門極關(guān)閉，則牽引變流器停止工作，造成不能輸出牽引故障。

2 功率模塊的故障原因

2.1 功率模塊的控制原理

如圖1所示，故障階段，功率模塊的邏輯控制原理為：自IGBT元件上下橋臂門極指令信號關(guān)閉開始至上下橋臂門極指令信號接通的時(shí)間t1固定為10.0 μs，且上、下橋臂門極指令不能同時(shí)接通。

圖1 故障階段功率模塊的邏輯控制原理

2.2 故障原因分析

2.2.1 非重疊時(shí)間過短

根據(jù)圖1的情況：上橋臂門極反饋信號關(guān)閉并經(jīng)過一定的非重疊時(shí)間后，下橋臂的門極指令信號接通，隨后下橋臂門極啟動(dòng)；上橋臂門極啟動(dòng)同理。

目前，t1設(shè)定為10.0 μs的功率模塊邏輯控制,雖能滿足正常的橋臂門極啟動(dòng)要求，但一旦實(shí)際非重疊時(shí)間極短，就會發(fā)生邏輯判斷失效。因此，非重疊時(shí)間過短可能是引起功率模塊故障的原因之一。

根據(jù)這一推理，對案例動(dòng)車組的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，功率模塊IGBT元件上下橋臂門極動(dòng)作存在非重疊時(shí)間極短的現(xiàn)象。某次功率模塊發(fā)生故障時(shí)的監(jiān)控器數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 某次功率模塊發(fā)生故障時(shí)的監(jiān)視器數(shù)據(jù)截圖

根據(jù)圖2，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，實(shí)際的非重疊時(shí)間僅為2.0 μs。這雖不至于造成IGBT短路，但2.0 μs遠(yuǎn)小于原設(shè)想的5.0 μs。因此，可能存在自身橋臂及上下橋臂主電路動(dòng)作的狀況。

基于數(shù)據(jù)分析，繪制功率模塊故障發(fā)生時(shí)的主電路電流流過方向和IGBT開關(guān)狀態(tài)如圖3所示。

由圖3分析IGBT元件關(guān)斷動(dòng)作失敗的情況：

注：BD事故指IGBT被擊穿。

1)逆變器U相上橋臂IGBT元件在ON動(dòng)作中，開始關(guān)斷動(dòng)作。

2)在正常情況下，當(dāng)上橋臂IGBT元件關(guān)斷后(即IGBT元件反饋信號變?yōu)镺FF狀態(tài)后)，下橋臂IGBT元件開始導(dǎo)通動(dòng)作。而故障情況下,當(dāng)下橋臂IGBT元件變?yōu)镺N狀態(tài)時(shí)(即IGBT元件反饋信號變?yōu)镺N狀態(tài)時(shí))，OFF狀態(tài)的上橋臂IGBT元件突然變?yōu)镺N狀態(tài)，發(fā)生主電路短路。

為了進(jìn)一步分析功率模塊發(fā)生故障時(shí)的IGBT元件關(guān)斷動(dòng)作，本研究特意測量了主電路電流及電壓特性。測量位置見圖4，測量結(jié)果見圖5。

注：Vce為IGBT電壓；Ige為門極驅(qū)動(dòng)電流。

圖5 測量結(jié)果截圖

由圖4及圖5可見，從上下橋臂中的任一橋臂關(guān)斷門極電流流出后到另一方橋臂導(dǎo)通門極電流流出前，時(shí)間間隔約為4.5 μs。然而，從原理上講，IGBT模塊的遮斷電流越小，集電極電壓的上升及門極電流遮斷需要的時(shí)間就越長。故由圖5所示測量結(jié)果判定：在集電極電流遮斷前，另一方的IGBT導(dǎo)通；其結(jié)果是關(guān)斷動(dòng)作中的IGBT集電極電壓發(fā)生急劇變化。急劇變化的集電極電壓對IGBT門極等造成不良影響，以至于影響了IGBT的門極耐壓劣化和門極誤動(dòng)作等。

分析上述結(jié)果可知，IGBT元件的關(guān)斷失敗極可能是由集電極電壓急劇變化引起的門極誤動(dòng)作所導(dǎo)致，而集電極電壓的急劇變化很有可能是非重疊時(shí)間過短導(dǎo)致。

2.2.2 IGBT元件門極突然啟動(dòng)

通過對另外一起故障數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)IGBT元件門極處于關(guān)斷(OFF)狀態(tài)且未得到接通指令時(shí)，IGBT元件門極突然執(zhí)行接通(ON)指令轉(zhuǎn)為啟動(dòng)狀態(tài)。IGBT元件門極突然啟動(dòng)的信號變化情況如圖6所示。

圖6 IGBT元件門極突然啟動(dòng)時(shí)的信號變化情況

IGBT元件門極突然啟動(dòng)時(shí)的主電路電流流過方向和IGBT開關(guān)狀態(tài)如圖7所示。

圖7 IGBT元件門極突然啟動(dòng)示意圖

由圖7可見，逆變器U相上橋臂IGBT元件在OFF指令輸入狀態(tài)下突然變?yōu)镺N(啟動(dòng))狀態(tài)，進(jìn)而使主電路發(fā)生短路，引發(fā)功率模塊故障。進(jìn)一步分析故障發(fā)生過程如下：

1)從事故數(shù)據(jù)看，當(dāng)逆變器U相上橋臂IGBT元件突然變?yōu)镺N時(shí)，故障的IGBT元件只有OFF指令的輸入。

2)其他相(V相及W相)的上下橋臂沒有開關(guān)切換。由此推測，不存在由其他相開關(guān)引起干擾導(dǎo)致的門極誤動(dòng)作或邏輯故障等。當(dāng)故障發(fā)生后，更換的功率模塊能運(yùn)轉(zhuǎn)正常。故本文推測，牽引變流器本體及邏輯不存在問題，故障的原因在于IGBT單體。

3)進(jìn)一步分析可知，在圖4的狀態(tài)中，故障IGBT元件的發(fā)射極-集電極間加載了和濾波電容器電壓相同的電壓(約2 600 V)。在此狀態(tài)下，IGBT芯片上有極少量的漏電電流流過。由此推測，IGBT模塊的漏電電流較大，使芯片局部發(fā)熱，導(dǎo)致發(fā)生IGBT擊穿。此較大的漏電電流是由難以避免的芯片制造誤差所致。芯片組裝到裝置上后，其制造誤差不會隨裝置運(yùn)行時(shí)間增加而增加。

由運(yùn)行時(shí)間與事故發(fā)生頻度的關(guān)系推斷，IGBT元件門極突然啟動(dòng)現(xiàn)象，是由IGBT元件的初期良品率不佳造成的。

2.2.3 天氣因素對故障的影響

統(tǒng)計(jì)故障數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，高溫天氣期間(7月—10月)是功率模塊的故障多發(fā)期。由此可以推斷，較高的環(huán)境溫度也可能是功率模塊發(fā)生故障的原因。

根據(jù)對所有故障數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，所有功率模塊故障均為非重疊時(shí)間較短或IGBT元件門極突然啟動(dòng)導(dǎo)致，尚沒有僅由高溫導(dǎo)致的功率模塊故障數(shù)據(jù)。綜合考慮夏季運(yùn)行的實(shí)際情況，當(dāng)車內(nèi)空調(diào)及車上散熱風(fēng)機(jī)高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，牽引變流器更易發(fā)生非重疊時(shí)間較短與IGBT元件門極突然啟動(dòng)的情況。由此可以推斷，高溫天氣條件只是導(dǎo)致功率模塊故障的間接因素，而非根本性因素。

3 解決辦法

3.1 通過軟件更改非重疊時(shí)間

針對非重疊時(shí)間過短的情況，為確保集電極電流有充分的遮斷時(shí)間，采取修改功率模塊控制邏輯的方法。將控制邏輯中原來的“t1固定為10.0 μs”更改為：門極反饋關(guān)閉開始經(jīng)過5.0 μs后，接通上下橋臂門極指令信號(如圖8所示)。

a)原方案

修改功率模塊控制邏輯后，測量IGBT元件關(guān)斷時(shí)的主電路電流及電壓特性，結(jié)果如圖9所示(測量位置和圖5相同)。從圖9可見，關(guān)斷動(dòng)作中集電極電壓急劇變化的現(xiàn)象已消失。

對比圖9及圖5可見，修改IGBT元件門極非重疊時(shí)間的邏輯控制，能有效防止IGBT的劣化及門極誤動(dòng)作，去除IGBT關(guān)斷動(dòng)作失敗引起的功率模塊故障事故。

圖9 軟件更改后的測量結(jié)果

3.2 更換出現(xiàn)問題的功率模塊

針對IGBT元件門極突然啟動(dòng)故障，可通過更換出現(xiàn)問題的功率模塊并剔除不良產(chǎn)品來解決。

4 結(jié)語

本文針對某型高速動(dòng)車組頻發(fā)的牽引變流器功率模塊故障進(jìn)行故障原因分析。對于因產(chǎn)品初期批次質(zhì)量問題導(dǎo)致的模塊故障，通過淘汰發(fā)生故障的功率模塊來剔除不合格產(chǎn)品；對于由IGBT門極非重疊時(shí)間過短導(dǎo)致的功率模塊故障，可通過變更邏輯控制的方法，有效防止IGBT的門極誤操作，實(shí)現(xiàn)門極非重疊時(shí)間的合理控制，從而有效減少功率模塊故障的發(fā)生。實(shí)踐情況證明，變更邏輯控制的方法，既能有效減少故障功率模塊的更換次數(shù)，大大節(jié)約檢修成本，又降低了線路運(yùn)行的故障率，對高速動(dòng)車組的安全運(yùn)營具有重大意義。