NJ2機車牽引逆變器相模塊飽和的原因分析及預防措施

摘要：NJ2機車自投入運營以來，作為交直交傳動機車核心部件的主電路逆變器相模塊（電力電子器件IGBT和驅動電路），頻繁發生飽和導通的故障問題。通過對IGBT器件工作原理和器件特性的認識，結合現場實際狀況，找出故障發生的機理，制定合理的預防措施。

關鍵詞：交流傳動內燃機車;相模塊;電路拓撲結構;擎住效應;米勒效應

前"言

2006年舉世矚目的青藏鐵路全線通車之際，為有效保障這條通過生命禁區的鋼鐵大動脈的暢通無阻，鐵道部引進由美國GE公司生產的高原型C38-Ache大功率交流傳動內燃機車。投入運營以來，以其性能的穩定可靠，收到了良好的客貨運輸效益。近年來，隨著78臺C38-Ache機車總走行公里數的不斷增加，一些因保養不到位或部件老化引起的故障逐漸開始發生，有些甚至呈現上升趨勢，已經影響到機車途中的正常運行。其中，C38-Ache機車牽引逆變器相模塊飽和就是一個典型的故障。根據技術統計數據，僅2014年，因相模塊飽和的故障就發生94起。為解決相模塊飽和問題，下面從C38-Ache機車傳動原理介紹、故障模塊現場檢查情況以及相模塊失效的發生機理等方面分別予以闡述。

一、NJ2機車傳動原理簡述

C38-Ache機車主電路采用交-直-交傳動方式。主發電機發出的交流電經過主整流器變為直流電，輸送至牽引逆變器的正負極母線。牽引逆變器根據機車速度以及中央控制計算機傳來的控制指令，將主整流器輸出至母線的直流電轉換成可變頻率的交流電，供給牽引電動機。C38-Ache機車牽引逆變器屬開關網絡型橋式逆變器，如下圖所示。

圖中所示的開關元件為絕緣柵雙極晶體管（Insulated"Gate"Bipolar"Transistor），簡稱IGBT。IGBT開關在C38-Ache機車上也稱作相模塊。因為逆變器要產生三相交變電流（A相，B相和C相），所以每一個牽引電動機逆變器包括六個相模塊，而且電機的每一相經開關元件既要與正極連接又要與負極連接，把六個IGBT開關中的三個接到供電電源的正極，三個接到供電電源的負極，就組成了一臺交流牽引電機的逆變器拓撲結構。外加其他所需的驅動電路、驅動控制電路、相模塊檢測電路以及驅動信號傳輸光纜等支持設備，就是一臺完整的逆變器。

正常工作時，牽引逆變器控制器按照三相交流電動機的相序要求，分時控制六個開關元件按照一定的次序動作。但每一相橋臂須確保正負開關元件不能同時導通，以防母線短路。

二、故障現象和檢查發現的問題

在實際運用過程中，在同一相逆變橋臂的正負兩個開關元件中，其中一個開關元件正常導通時，另一個開關元件卻因外部因素以及器件本身等原因導致柵極失控，發生未及時關斷的故障現象。當逆變器檢測電路檢測到此故障現象后，會及時反饋信息給逆變器控制器，逆變器控制器在對此逆變器予以完全隔離的同時，通知機車中央控制計算機。由中央控制計算機記錄該故障信息，并通過人機界面和警鈴方式告知司機，當臺牽引逆變器存在故障。

機車入庫后，通過對故障下車相模塊的外觀檢查和測量，損壞下車的相模塊具體分為兩類：

1、IGBT元件PN結發生擊穿損壞，外觀上并未出現燒損跡象;

2、IGBT元件PN結發生擊穿，且存在明顯的灼燒痕跡。

檢查故障相模塊時，我們還發現，所有發生飽和故障的相模塊IGBT散熱片均被灰塵完全覆蓋，存在嚴重的散熱不良問題，如圖：

而且從機車逆變器外部線路到逆變器所有組件的檢查中，再未查出其他故障影響因素，初步判斷為散熱不良就是引起的IGBT器件飽和的主因。下面從IGBT工作原理及失效的常見原因入手，并結合IGBT的高溫特性予以分析。

三、故障原因分析

1、IGBT柵極失控（達到飽和）常見原因

自從大功率電力電子器件IGBT問世以來，根據實驗室以及現場應用的累計經驗，IGBT柵極失控導致器件飽和導通的原因通常有一下幾方面的原因。

（1）過流觸發擎住效應導致IGBT"損壞

IGBT有一定瞬時抗過流能力，外部控制邏輯也能提供一定保護。最主要的是IGBT驅動電路保護措施的設計一定要嚴密。由于IGBT半導工藝結構上存在一個寄生晶體管，也就是寄存可控硅。IGBT的理想等效電路如圖1所示。

圖1"理想的等效電路

它是一個PNP雙極晶體管和功率MOSFET采用達林頓連接而形成的單片BI-MOS晶體管。而實際的IGBT的等效電路卻如圖2所示。

IGBT"實際等效電路與理想等效電路相比不同之處在于T2"與T3"分別為可控硅與功率MOSFET"構成的。圖中T2"是有條件的寄生存在的。正常使用不存在T2。但由于IGBT"制造工藝問題，存在一個低阻值擴散電阻Rd，在一般正常使用情況下，由于Ic"在"Rd"上的正向偏壓不足以打開寄生NPN"T2"晶體管，此時等于不存在T2。

當Ic"電流在Rd"上的壓降大到能夠使寄生NPN"T2"導通，由于正反饋原因，使T2"和T3"快速處于全導通狀態。這樣在Ic"過流條件下，T2"的寄生晶體管存在，T2"和T3"晶體管已形成導通。門極控制作用失靈，失去控制作用，形成自鎖現象，這就是擎住效應。一旦形成自鎖，集電極電流增大，產生高熱消耗，導致器件損壞。另外在IGBT"關斷的動態過程中，dvce/dt"變化太快，在結電容中產生較大的位移電流，流過擴散電阻Rd，也會產生足以使NPN"T2"晶體管導通的正向偏壓，觸發T2"的導通形成自鎖。

（2）尖峰電壓過高損壞

由于IGBT"的感性負載，在關斷時產生尖峰電壓，如果尖峰電壓過高也會造成器件損壞。這時損壞往往為內置FWD"二極管被擊穿

（3）柵驅動電路控制邏輯失靈導致橋臂直通

由于Miller（米勒效應）效應，當IGBT關斷時可能從主回路藕合過來一個電壓到VGE。當VGE達到開啟電壓時可能造成柵驅動電路控制邏輯失靈導致橋臂直通，燒壞IGBT。

2、IGBT過熱對器件失控的影響分析

IGBT在導通過程中，無可避免要產生損耗。電流通過器件本身PN結產生的壓降會產生額定損耗，IGBT作為開關原件，在開通和關斷過程中，di/dt不可能達到無窮大，所以還會產生開關損耗。根據額定損耗以及開關損耗所產生的熱量，IGBT結溫（Tj）不能超過150攝氏度（一般不應超過125攝氏度）。

IGBT溫度的升高對IGBT的正常工作有兩方面的影響。

（1）由IGBT器件高溫特性得知，在一定范圍內器件溫度升高有助于改善IGBT的靜態下的通態特性，但對動態特性卻帶來不良影響。研究機構實驗結果早已表明，IGBT關斷時間會隨著溫度的升高而延長。

（2）引起IGBT自鎖的集電極電流稱之為擎住電流（NJ2機車故障事件記錄稱之為相模塊飽和）。根據半導體器件的放大特性可知，當溫度升高后，在上述“實際的IGBT等效電路”中，晶體管T2、T3的電流放大系數均有所增大，而且擴散電阻Rd的阻值也會也會因溫度的升高而增大。T2、T3放大系數增大以及Rd阻值增大均會對IGBT自鎖條件的形成起到一定的促進作用。擎住電流值在室溫下一般為平均工作電流的六倍以上，但在IGBT溫度升高至150攝氏度時，擎住電流會下降至平均工作電流的三倍左右，當IGBT溫度升高至200攝氏度時，正常的工作電流就可以達到擎住電流，使IGBT自鎖而失控。

至此，我們不難發現，IGBT散熱片被灰塵覆蓋導致的散熱不暢對機車牽引逆變器相模塊飽和導通有著不可忽視的作用。由于機車檢測系統無法檢測IGBT元件溫度，為了驗證故障原因理論推理的真實性，按照GE工程部的建議方案，對頻繁發生飽和故障的機車逆變器IGBT散熱片灰塵進行現車吹掃。經過對實施吹掃的三臺機車的跟蹤結果來看，散熱片實施吹掃后故障報警再無發生。由此，推理得到驗證。所以，清除相模塊散熱片表面覆蓋的灰塵，并查找、消除灰塵進入散熱片的渠道，才是解決機車牽引逆變器相模塊飽和故障關鍵。

四、預防措施

依據故障原因分析的結果，我們會同GE公司現場服務組，從灰塵來源和灰塵消除兩方面著手。

1、以逆變器/主發電機通風回路為重點，查找灰塵來源

牽引逆變器冷卻用風通路如下圖所示，交流發電機通風機通過電氣室兩側的V形濾網把空氣吸入系統。V形濾網能防止大的雜物（如樹葉、植物纖維和羽毛等等）進入系統。接下來，空氣流過兩個位于電氣室兩側的空濾器柵。這些空濾器柵能濾除空氣中細小的污物顆粒。經濾清的潔凈空氣經過牽引逆變器相模塊背面和整流裝置二極管背面的散熱片，使功率電子器件得以冷卻。為了確保冷卻空氣通路暢通，利用機車定期修的充裕時間，制定整修計劃，對牽引逆變器冷卻用風通路予以徹底清潔，尤其是對電氣室兩側的空濾器柵和V形濾網予以堆積物的清理。在保證牽引逆變器冷卻用風通路暢通的同時，也有效發揮V形濾網和空濾器柵的除塵作用。，同時對通風通道的密封性能做徹底的檢查整修，防止灰塵不經空濾器柵直接進入冷卻用風通道。

牽引逆變器冷卻用風通路

2、對相模塊進行現車改造吹掃

根據機車相模塊的結構特點和GE工程部的建議方案，在做好必要的器件安全防護措施下，現場對相模塊進行開孔。通過開啟的鉆孔將壓力空氣噴嘴插入到任一鉆孔，壓縮空氣通過噴嘴，在散熱器上上下移動，在同一相模塊開啟的另外一個鉆孔插入強力吸塵設備同步進行吸塵。當前鉆孔清理完成后，使用一個手電筒，進行目視檢查，確認清理達到預期效果。然后，將壓力空氣噴嘴和吸塵設備在兩個鉆孔間進行互換，重復執行一次吹掃和吸塵的操作，并確認檢查清理效果。確保污垢清理盡可能完全。當機車所有相模塊執行孔鉆清理后，當臺機車逆變器散熱片的清理工作結束。

GE工程部建議改造方案圖

結束語

根據本次相模塊過熱飽和故障的結論分析和實際改造，會同GE公司現場服務組和相關檢修單位對此次故障的治理做效果檢驗總結如下：

1、大大降低了IGBT故障率。通過對IGBT飽和導通故障較為頻繁的機車改造后的故障統計結果來對比，2013年6-7月份共計發生故障27起，經過改造后，同期相比，未發生任何故障。

2、有效降低了工作量。前期對IGBT的無法進行清掃，改造之后，只需要用壓力空氣配合吸塵器進行清掃，方便以后定期修中的清掃工作。

參考文獻：

[1].《現代電力電子器件及其應用》.北方交通大學出版社.2002年3月第1版

[2].《C38-Ache機車電氣和控制系統》.內參