廣州地鐵A2型車牽引系統IGBT換型分析

李兆新

（廣州地下鐵道總公司，廣東廣州 510310）

1 概述

廣州地鐵A2型車采用4動2拖六節編組的A型地鐵車輛，主要應用于廣州地鐵一號線和八號線。隨著車輛運營年限的增加以及負載的加大，近幾年來在正線運行過程中IGBT常發生故障爆裂的情況，輕則使牽引系統不能正常工作，重則引起接觸網跳閘，給車輛運營帶來較大影響。

本文基于A2型車牽引逆變器（MCM模塊）的IGBT故障分析，以及可靠性和全壽命分析，提出對現有IGBT進行換型改造。

2 IGBT故障分析

牽引逆變器（MCM模塊）是列車牽引系統的核心，將1 500 V直流電逆變成頻率和電壓可調的三相交流電，平行供給4臺交流鼠籠式異步牽引電機，實現對電機的調速，完成列車牽引功能[1]。而IGBT是MCM模塊最為重要的功率元器件，隨著列車使用年限的增加，IGBT故障爆裂的現象逐漸增多，現對其故障進行分析。

2.1 電流因素分析

近幾年，隨著列車部件老化和載客量越來越大，需要列車牽引電機輸出更大的扭矩。通過公式Q=I·I·R·t可知，IGBT的發熱量由它本身的內阻、通過的電流以及時間決定。電機扭矩T=i·e/w，在轉速和電機的固有屬性不變的情況下，扭矩越大，電流也越大，從而IGBT的發熱量Q也越大，當發熱量持續超過IGTB的散熱能力時，勢必會造成IGBT的損壞爆裂。

2.2 絕緣阻值因素分析

目前公司內并無有效檢測手段，用搖表分別對新舊IGBT進行檢測，檢測情況如表1所示。新舊IGBT都可以正常導通和關斷，但是關斷時，新舊IGBT的CE極之間的電阻值不同（絕緣阻值越高，漏電流越?。?。新件IGBT的絕緣阻值在2 500 MΩ以上，而舊件IGBT的絕緣阻值在1 200 MΩ以下，所以IGBT使用年限增加，其漏電流越大，意味著發熱也越厲害，IGBT損耗增加。

表1 現有新舊IGBT檢測

3 IGBT可靠性和全壽命分析

3.1 故障統計

選取20列一直在廣州地鐵八號線運行的列車，并從2005年全面投入使用，并開始統計A2型車IGBT故障，統計結果如表2所示。從表2可以看出，IGBT故障從2009年開始明顯上升，往后各年份的月平均故障次數約為1次。

表2 IGBT故障次數

3.2 可靠性計算[2]

假設產品總數為N0，從時刻t0開始使用，到時刻t有N（t）個產品發生故障，余下Ns個產品未發生故障。顯然，N（t）和Ns是時間的函數，記作N（t）和Ns（t）。

由可靠度定義可知

R（t）=Ns（t）/N0=[N0-N（t）]/N0

同樣，經驗故障分布函數為

F（t）=N（t）/N0

所以，R（t）=1-F（t）。

20列A2型車逆變相IGBT共計480個，即N0=480；再根據表2的IGBT各年份故障次數，可計算得出IGBT的可靠度，如表3所示，IGBT在使用5年之后，其可靠度開始明顯下降。IGBT在使用8年之后，其可靠度已低于88%。

3.3 IGBT壽命分析

常見的部件壽命分布函數有指數分布、威布爾分布、（對數）正態分布等。確定零部件的分布類型具有重要意義，而如電容器、滾珠軸承、繼電器、開關、斷路器、電子管、電位計、電動機、功率器件、蓄電池、材料疲勞等符合威布爾分布函數，因此對IGBT進行壽命分析應選用威布爾分布函數，其計算公式如下。

威布爾分布函數：

可靠度函數：

平均壽命：

根據表3，可得出表4中計算結果。通過MATLAB用最小二乘法將表5中的橫、縱坐標點擬合成一次線性方程，該方程為y=1.9997x-6.3574。很明顯，m=1.9997，可求得η=24.0270。所以IGBT的平均壽命=21.29年，即20列八號線車的IGBT發生故障的平均時間約為21.29年。

表3 IGBT可靠度計算

表4 IGBT壽命計算

4 IGBT換型分析

隨著A2型車使用年限的增加，現在使用的牽引逆變器功率元器件IGBT逐漸老化，其可靠性不斷下降，故障率越來越高。

因此，對牽引逆變器的功率元器件IGBT換型迫在眉睫。

通過對換型前后的IGBT參數對比，并與國內有牽引逆變器設計經驗的工程師的溝通與交流，可以將現有型號（FZ1200R33KF2C）的IGBT換型成新型號（FZ1500R33HE3）的、容量更大的同品牌IGBT[3]。其分析對比如下。

（1）IGBT導通損耗對比

現有IGBT Vcesat值為4.25 V左右，導通損耗為：

Pcond=D·Vcesat·Ic=D·4.25 V·1 200 A=5 100·D

圖1 現有IGBT-Vce曲線

圖2 換型后IGBT-Vce曲線

換型后的IGBT的Vcesat值為2.4 V左右，導通損耗：

圖3 現有IGBT-Ic曲線

Pcond=D·Vcesat·Ic=D·2.4 V·1 200 A=2 880·D

（2）IGBT開關損耗對比

現有IGBT的Vcesat值為4.25 V左右，導通損耗：

圖4 換型后IGBT-Ic曲線

圖5 現有IGBT-Vf曲線

圖6 換型后IGBT-Vf曲線

Pcond=D·Vcesat·Ic=D·4.25 V·1 200 A=5 100·D

換型后IGBT的VCEsat值為2.4 V左右，導通損耗：

Pcond=D·Vcesat·Ic=D·2.4 V·1 200 A=2 880·D

（3）IGBT續流二極管導通損耗

現有IGBT的二極管正向壓降值Vf=2.8 V，損耗為：

Pf=D·Vf·If=D·2.8 V·1 200 A=3 360·D

圖7 現有IGBT-If曲線

圖8 換型后IGBT-If曲線

換型后IGBT的二極管正向壓降值Vf=2.5 V，損耗為：

Pf=D·Vf·If=D·2.5 V·1 200 A=3 000·D

（4）IGBT續流二極管開關損耗對比

現有IGBT的Erec=1 650 mJ，二級管的開關損耗為：

Prec=fsw·Erec=1.650·fsw

換型后IGBT的Erec=1 450 mJ，二級管的開關損耗為：

Prec=fsw·Erec=1.450·fsw

（5）IGBT換型前后總損耗對比分析

現有IGBT的Psh=Pcond+Psw+Pf+Prec=5 100·D+3.7·fsw+3 360·D+1.65·fsw=8 460·D+5.35·fsw

換型后IGBT的Psh=Pcond+Psw+Pf+Prec=2 880·D+3.7·fsw+3 000·D+1.45·fsw=5 880·D+5.15·fsw

因此，在相同的測試環境下，使用相同的設備，在相同的頻率和占空比條件下對現有和換型后的IGBT模塊分別進行溫升和開關損耗測試，發現換型后的IGBT模塊通過電流能力更高，發熱量明顯比現有的IGBT模塊發熱量更低，溫升明顯減小，損耗也更小，基本可以解決過流過載導致的牽引逆變器IGBT故障爆裂的問題。

5 總結及結論

廣州地鐵A2型車牽引逆變器功率元器件IG?BT模塊常因使用老化、過流等因素出現頻繁故障、爆裂的情況，對列車正線運營造成較大影響。通過對IGBT故障數據統計及其歷年來的故障可靠性和壽命分析，發現當前使用的IGBT型號并不能滿足現在的使用要求，通過采取IGBT換型研究，即使用功率更大、內阻更小、電流通過能力更強的IGBT，可有效解決該問題。

［1］長客－龐巴迪軌道車輛有限公司.廣州地鐵A2型電客車維修手冊［Z］.2006.

［2］董錫明.軌道列車可靠性、可用性、維修性和安全性（RAMS）［M］.北京：中國鐵道出版社，2009.

［3］英飛凌公司.IGBT用戶說明書［Z］.2012.