南寧軌道交通車輛充電機模塊IGBT擊穿故障的分析及解決方案

江 騰，鄭吳富，姜送來

(南寧軌道交通集團有限責任公司運營分公司，廣西 南寧 530001)

0 引言

目前國內軌道交通車輛輔助電源系統普遍采用25 kW容量的充電機模塊，整列車供電除主電路牽引系統外，其余皆由輔助電源系統提供電。充電機模塊屬于輔助系統的一部分，其與輔助逆變器由一個控制單元控制。當充電機模塊發生IGBT擊穿故障時，輔助控制單元立即報SIV嚴重故障且停止工作，此時AC380V供電中斷，正線運營時，除牽引系統以外的其他系統皆無法正常運轉，導致列車下線，嚴重需要救援。本文針對軌道交通車輛充電機模塊IGBT擊穿問題進行深入分析，并提出相應解決方案。

1 故障情況

南寧軌道交通某項目車輛在庫內激活升弓后，查看HMI時發現TC1車“輔逆/充電機”圖標顯紅，事件信息報“TC1車SIV BGDU充電機門極反饋故障、TC1車SIV 200C逆變輸出200%過載”，重啟列車后，車底傳來“砰”的爆炸聲。查看SIV空開未跳閘，降弓后下載SIV、EDRM數據分析報SIV BGDU 充電機門極反饋故障。斷網激活后對車下輔助逆變器箱進行開箱檢查，發現TC1車右側輔助逆變器箱的充電機模塊冒出白煙，并伴有燒焦的味道。拆下充電機模塊檢查發現電阻R8、R9已炸裂且不在原位置(見圖1)；更換新的充電機模塊后激活列車升弓測試，列車功能恢復正常。

圖1 充電機模塊內的R8電阻和R9電阻已炸裂

對拆下的充電機模塊進行進一步檢查，R8、R9電阻為預充電電路電阻，2個電阻的型號和阻值一樣。由于報充電機管故障，故使用萬用表測量IGBT的二極管VT1、VT2，發現VT1正反導通(見圖2)，VT2正常，判斷為VT1擊穿導致電流瞬間變大，使得R8、R9充電電阻發熱而炸裂。

圖2 測量二極管VT1反向導通

2 故障原因分析

2.1 數據分析

下載數據分析，故障時刻，充電機模塊管故障變為高電平，經過11 ms后，報逆變輸出200%過載故障，此時W相、V相電流均超過950 A保護門檻，觸發200%過載保護，如圖3所示。

圖3 實時數據記錄

從數據分析可以看出，故障源頭為IGBT故障，首先報IGBT故障，故障后進行了保護，此時IGBT還未擊穿；第二次報IGBT故障時，由于IGBT已擊穿，造成200%過流保護，大電流瞬間通過預充電電阻，從而引起電阻發熱爆炸。

2.2 充電機模塊原理分析

第一次故障發生后，VT1或VT2擊穿，充電機報出門極反饋故障停機。手動復位后，充電機再次發出門極脈沖，當VT1、VT2兩個IGBT同時導通后，中間電壓直通短路，故障保護接觸器KM1跳開，如果輸入端有AC380 V電壓，則電流會通過線路導通(見圖4)，電流通過預充電電阻R8、R9電阻，再經過VD1整流后的正極，經過VT1、VT2與VD1整流后的負極直接短路，長時間短路，則引起電阻發熱炸裂。根據原理分析，如果首次故障后，充電機未再次啟動，則故障不會發生擴大，充電機模塊不會發生爆炸。

圖4 充電機模塊電路原理圖

2.3 保護邏輯分析

當充電機模塊IGBT管故障時，充電機控制單元發送最小脈寬，檢測到管故障反饋信號，控制單元報管故障并封鎖IGBT門極脈沖及指令，跳開短接接觸器KM1(見圖4)，這樣即使充電機前端有AC380 V，充電機后端開路，無法形成回路，不會對預充電電阻造成損傷。但手動復位后進行第二次上電，充電機再次發出門極脈沖，VT1/VT2兩個IGBT同時導通后，中間電壓直通，大電流通過R8、R9電阻發熱而炸裂。充電機邏輯保護原理圖如圖5所示。

圖5 充電機邏輯保護原理圖

2.4 R8、R9電阻原理分析

R8、R9為預充電電路電阻，WKM1閉合之前，控制單元通過R8、R9充電電阻發送小電流檢測整個回路無異常后閉合KM1，R8、R9為100 Ω/75 W電阻，通過R8、R9電阻的電流I=U/R=380 V/100 Ω=3.8 A，消耗在電阻上的功耗P=I2R=3.8 A×3.8 A×100 Ω=1 444 W。根據國標GB/T5732的規定，電阻可承受750 W持續5 s的過載能力，這個過載能力在正常使用中余量足夠大，但在短路等異常情況下承受1 444 W的功耗，如果時間過長則會引起電阻發熱而炸裂。

2.5 IGBT原理分析

1)IGBT全名為絕緣柵雙極型晶體管，見圖6(b)，由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成復合全控型電壓驅動式功率半導體器件，見圖6(a)?？刂艻GBT通斷，靠的是柵射極的電壓，當柵射極加+12 V(大于6 V，一般取12～15 V)時IGBT導通，柵射sh極不加電壓或者是加負壓時，IGBT關斷。如IGBT柵極與發射極之間的電壓即驅動電壓過低，則IGBT不能穩定正常地工作，如果過高超過柵極——發射極之間的耐壓，則IGBT可能永久性損壞；同樣，如果加在IGBT集電極與發射極允許的電壓超過集電極——發射極之間的耐壓，流過IGBT集電極——發射極的電流超過集電極——發射極允許的最大電流，IGBT的結溫超過其結溫的允許值，IGBT可能會永久性損壞。

圖6 IGBT原理圖

2)通過分析IGBT擊穿原因，發現可能在關斷時有過高的電壓峰值U=L×dI/dt，當控制信號波形異常時，IGBT收到的脈沖異常，使得集電極與發射極之間電壓波動異常而高于最高工作電壓，短時間內IGBT過熱燒壞擊穿，最終得出結論：可能為IGBT從閉合到打開過程中電流突然波動造成尖峰電壓，導致IGBT擊穿。

2.6 列車模擬測試

1)為驗證IBGT擊穿原因是否為控制信號異常造成，在庫內選取一輛電客車，重復進行斷網激活和升降弓測試，約進行50次升降弓測試時，故障重現；HMI報“TC1 SIV SLIF 生命信號故障、TC1車SIV BGDU充電機門極反饋故障。拆下充電機模塊檢查測量，發現IGBT二極管反向導通，證明IGBT已擊穿。

2)下載數據分析TC1車SIV交流輸出正常，充電機輸出正常，但此次發現報FPGA判斷CPLD生命信號故障，如圖7所示。

圖7 數據記錄FPGA生命信號故障

3)進一步分析生命信號故障，查看板件內應用軟件邏輯與逆變生命信號正常。但發現FPGA、CPLD、ARM1中間層、ARM2中間層、ARM1邏輯層生命信號無變化(見圖8)，這些信號由FPGA內部轉發，進一步判斷生命，故障時由FPGA引起。

圖8 故障時生命信號無變化

2.7 實驗室模擬測試

為排查故障，將故障件更換IGBT后，實驗室內將充電機模塊與控制單元搭建聯合測試平臺，按照列車上電實際工況進行帶載測試，并通過示波器追蹤記錄(見圖9)，充電機模塊輸入端持續加載AC380 V，對充電機模塊輸出進行10 A、20 A、70 A、50 A等不同負載的工況模擬試驗，反復重啟控制單元。

圖9 聯合測試平臺

通過關斷和重啟控制單元測試50次左右時，故障復現，測量VT1二極管的IGBT被擊穿，重點在于示波器捕捉到輔助控制單元發給充電機模塊的100 μs異常脈沖波形(見圖10)。剛上電發脈沖時，出現一個100 μs的異常脈沖(正常脈沖為3 μs脈寬)，開關管開通周期完整，100 μus脈沖相對于3 μs是一個長脈沖，長脈沖會引起大電流，大電流流過IGBT導致發熱損壞。

圖10 異常脈沖波形

2.8 異常脈沖分析

第一階段為系統待機狀態，脈沖控制單元發送特定數據隊列(包含3個數據，第一個為數據裝載周期，第二、第三個為脈沖更新數據，特定序列為4、0、0)給脈沖恢復單元，此時脈沖輸出處于關閉狀態。脈沖恢復單元根據收到的數據周期生成數據裝載標志。脈沖控制單元周期性發送數據到脈沖恢復單元，脈沖恢復單元會周期性地生成數據更新標志。脈沖恢復單元的最小計時周期為20 ns，根據數據裝載周期生成的數據裝載標志間隔為80 ns，數據更新標志周期為20 μs，理想情況見圖11，裝載標志經過20 000 ns÷80 ns=250個周期后與數據更新標志重合。

圖11 理想情況下數據裝載標志和數據更新標志之間的位置關系

當脈沖控制單元發送數據的周期存在偏差時，數據傳輸鏈路也會造成傳輸延時，脈沖恢復單元恢復數據同樣存在采樣偏差，這些偏差和延時是避免不了的特性。因此數據裝載標志和數據更新標志之間的相對關系將存在以下4種可能，如圖12所示。

圖12 非理想狀態下數據裝載標志和數據更新標志之間的位置關系

第二階段為脈沖控制狀態，在脈沖控制狀態的數據隊列中，數據裝載周期不再為4且大于4，脈沖更新數據也不再為0。當數據更新標志有效的時候，脈沖恢復單元根據更新標志相對于裝載標志所處的位置執行數據更新操作。當條件滿足則更新數據，不滿足則不更新數據。最終脈沖執行單元會根據更新后的數據執行脈沖輸出。在數據隊列中，如果出現A、B、0這樣的隊列會導致脈沖異常，而A、B、C和A、0、C以及A、0、0這樣的隊列則不會有問題。

3 解決方案

3.1 控制邏輯優化

優化數據更新條件：當數據裝載標志有效時，立刻更新數據；當數據更新標志有效時，新數據裝載周期大于數據裝載周期計數器的值，則立刻更新數據裝載周期，否則不更新；當數據更新標志有效時，新脈沖更新數據大于當前正在執行的數據，且正在執行的脈沖更新數據大于數據裝載周期計數器的值，則更新數據，否則不更新。第一個脈沖更新數據對當前正在執行的數據進行了為0判斷，而第二個脈沖更新數據沒有對0判斷。脈沖控制狀態的數據隊列為A、1、C，且C大于4，分析上述4種可能情況，情況1：數據會立刻更新為A、1、C。情況2：數據會更新為A、0、C，且在下一時刻立刻更新為A、1、C。情況3：數據會更新為:A、0、C。情況4：數據會更新為A、1、0。根據前面分析脈沖異常序列，只有序列為A、1、0時導致脈沖異常。對第二個脈沖更新時間加入為0條件判斷，優化后的脈沖控制序列不會再出現A、1、0這樣的異常序列，脈沖發送正常。

3.2 優化后驗證

更新輔助控制單元FPGA軟件后，利用返修模塊和控制單元反復測試，試驗48 h以上無故障發生；將輔助控制單元還原為上一版FPGA軟件，利用返修模塊和控制單元反復測試，試驗接近1 h故障復現。

3.3 結論

根據復現的故障現象排查控制軟件，該異常脈沖出現原因為控制單元內部的控制芯片與數據管理(脈沖恢復)芯片交互數據時，在FPGA軟件定時80 ns周期性交互時間上存在抖動偏差，概率性地導致第一次有效控制脈沖的恢復異常，出現一路高電平全開關周期的異常脈沖。優化FPGA軟件后可對第一次有效控制脈沖進行判斷，有效控制了PWM脈沖，避免了充電機模塊IGBT擊穿故障的發生。

4 結語

本文結合實際典型故障案例，對充電機模塊硬件及邏輯控制軟件進行深入的分析研究，經過現場實驗及模擬實驗追蹤，最終找出故障根本原因為邏輯控制軟件存在缺陷，最后通過對控制軟件進行分析優化后并進行多次驗證，脈沖發送功能正常，列車功能恢復了正常，有效避免了充電機模塊IGBT擊穿故障頻繁發生，可為軌道交通行業充電機模塊IGBT的應用提供一定的借鑒。