地鐵車輛輔助系統充電機驅動板直通故障復位機制研究

包 虹

(蘇州市軌道交通集團有限公司，215004，蘇州∥助理工程師)

蘇州軌道交通4號線自開通運營以來，已發生多起列車輔助系統充電機模塊輸出過流故障，對車輛DC 110 V負載造成沖擊，也對正線正常運行造成了較大影響。

鑒于4號線車輛輔助系統已完成設計并投入使用多年，而且控制電路設計更改及元器件選型變更難度較大，因此本文針對出現的充電機模塊輸出過流問題，主要從降低故障影響和避免類似故障再次發生的角度尋求解決措施，并要求供應商在后續項目中優化其設計，以從根本上解決該問題。

1 充電機驅動板直通故障原因分析及解決對策

1.1 充電機模塊控制回路

蘇州軌道交通4號線車輛輔助系統充電機模塊從輔逆系統的四相逆變器的第四相處受電，通過Buck斬波電路(降壓電路)降壓整流后得到DC 110 V電，向整車低壓負載及蓄電池供電。Buck電路利用功率開關IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)控制電路的工作狀態。充電機模塊控制回路包括Buck電路、控制電路、驅動及保護電路。控制器產生Buck電路所需的控制信號并發送至驅動板，再由驅動板轉換成開通或關斷IGBT的驅動信號，從而控制Buck電路工作[1]。4號線車輛輔助系統充電機模塊控制回路如圖1所示。

圖1 地鐵車輛輔助系統充電機控制邏輯Fig.1 Control logic of metro vehicle auxiliary system charger

1.2 充電機驅動板直通故障原因

通過排查確定充電機輸出過流故障原因為:充電機模塊IGBT驅動板卡在工作時易受EMC(電磁兼容性)干擾導致輸入的PWM(脈寬調制)信號無法關斷，副邊門極輸出電平常高，導致IGBT橋臂長通，引起充電機輸入輸出電壓接近相等；由于線路阻抗很小，導致充電機模塊輸出電流過大，進而影響母線電壓，對其他掛載設備造成沖擊。4號線車輛輔助系統充電機電路如圖2所示。

圖2 地鐵車輛輔助系統充電機電路圖Fig.2 Diagram of metro vehicle auxiliary system charger circuit

1.3 解決對策

該故障發生率較高，且極易造成IGBT驅動板燒毀，進而對運營安全造成影響。又因干擾源排查周期較長，無法短期內解決此問題。為盡快解決IGBT驅動板在受干擾后輸出常高的問題，在現場可供選擇的解決方案有限的情況下，經對IGBT驅動板工作原理進行分析，并根據充電機模塊的控制方式，廠家提出升級列車輔助系統控制軟件。該解決對策的基本方法是：在充電機工作前及工作中發生直通時，給充電機驅動板輸入端發送幾個10 μs的窄脈沖，以此方式來解除充電機直通狀態。新版車輛輔助系統控制軟件關于充電機IGBT驅動板直通故障的復位邏輯如表1所示。

表1 新版列車輔助系統控制軟件應對充電機IGBT驅動板直通故障復位機制

2 充電機驅動板直通故障復位機制分析及其可靠性測試

2.1 分析評估充電機驅動板直通故障復位機制

為驗證新版列車輔助系統控制軟件復位機制的可行性，結合IGBT的工作特性及4號線列車輔助系統充電機電路，對該復位機制進行分析評估。

1) 由圖2可知，充電機的輸入電壓從前級逆變器的第四相處獲得，輸出電壓接車輛DC 110 V負載及蓄電池，所以在以上3種不同工況下(即表1中的3種類型)，充電機IGBT電感兩端的壓差不同(平臺電壓)，IGBT電流較大，可能有過流風險。

2) 由于線路和器件內部分布有雜散電感，IGBT在關斷時會產生電壓尖峰。電壓尖峰的大小由關斷時電流的變化率和雜散電感的大小共同決定[2]。短時間內向驅動板發送3～6個窄脈沖，意味著短時間內多次對IGBT進行開通和關斷，可能引起較大的電流變化率，增大電壓尖峰。若在較惡劣條件下，平臺電壓疊加關斷電壓尖峰，產生加大的電壓應力，會給IGBT帶來過壓風險。

2.2 驗證充電機驅動板直通故障復位機制的可靠性

1) 試驗1：故障復位機制測試。對燒錄了新版列車輔助系統控制軟件的輔助箱反復上電測試，模擬不同的工況，并抓取窄脈沖發出時刻IGBT的輸入輸出電壓和電流等相關數據。4號線列車輔助系統充電機模塊IGBT的額定工作電壓為600 V，額定工作電流為300 A。相關試驗數據如表2所示。由表2可知，在不同工況下，窄脈沖可解除充電機驅動板直通問題，但類型1及類型3窄脈沖施加后，IGBT可能會有過壓風險，但無過流風險。

表2 新版列車輔助系統控制軟件充電機驅動板直通故障復位機制測試結果

2) 試驗2：窄脈沖個數測試。在試驗1的測試過程中，發現IGBT電感電流IL和集-射電壓Vce變化較大，數值不穩定。這可能與窄脈沖個數有關。為進一步確認窄脈沖數量與IGBT電感電流及電壓應力的關聯性，對充電機的啟動特性及故障重啟復位特性進行測試，重點關注窄脈沖個數的影響。通過對充電機啟動特性、故障重啟復位特性的測試，并對重啟復位過程中IGBT的電壓及電流進行分析，發現：窄脈沖個數越多，復位時IL就越大；當窄脈沖個數達到5個時，Vce已超過IGBT額定工作電壓(Vce過壓后，易導致內部失效)。因此推測：當窄脈沖個數達到6個時，電感很可能進入磁飽和狀態，電感電流將急劇增加，產生較大的電流的變化率，造成IGBT過壓失效。

3) 試驗3：IGBT驅動板故障分析。在試驗2的基礎上，挑取1臺輔助逆變器，反復觸發充電機過流保護及復位解鎖邏輯，直至充電機模塊驅動故障鎖死無法啟動。開箱檢查發現，充電機IGBT驅動板被燒蝕，且IGBT已失效。查看故障數據發現，IGBT失效時刻正處于充電機輸出軟件過流故障第5 s復位時。對燒蝕的充電機驅動板進行檢查發現，其失效模式均為驅動板副邊15 V電源回路及驅動電阻大面積燒毀。使用萬用表測量發現，IGBT的Cge(門-射電容)均為0，而正常情況下IGBT的Cge為42 nF左右。對失效的充電機模塊進行開蓋檢測，并對IGBT的狀態進行觀察，通過失效圖案形態，可判斷出IGBT失效模式為過電壓應力失效，主要失效位置在綁線底部，且柵極存在過壓痕跡。驅動板失效機理為：IGBT 發射極E與門極G短路后，高壓串入門極，導致驅動板副邊驅動電路過壓，進而過流燒蝕。IGBT失效模式與試驗數據基本吻合，可確定失效原因由新版列車輔助系統控制軟件所導致。

通過上述試驗可知，新版列車輔助系統控制軟件在特定工況下(第四相啟動后，充電機緩啟前以及充電機發生輸出過流故障后5 s復位時)發出5～6 個窄脈沖時，IGBT在較大電流下關斷，電壓峰值超過額定電壓值，可能有過壓失效的風險。

3 解決方案

為消除列車輔助系統控制軟件中存在的過壓風險，可通過以下2種措施進行緩解：

1) 減少各工況下的窄脈沖個數。在前期試驗過程中發現，1個解鎖復位窄脈沖即可有效解除驅動板直通問題。由于4號線充電機Buck 電路IGBT的開關頻率為20 kHz，車輛輔助系統控制單元對Buck電路的開關控制頻率為4 kHz，所以在單個控制周期內IGBT的開關周期為5個周期。考慮到IGBT的開關與電路開關控制周期重疊，最嚴苛情況下會發出6個脈沖。因窄脈沖個數無法固定，所以暫不考慮此措施。

2) 取消發送2種存在過壓風險的窄脈沖。取消類型1的窄脈沖，無法改善充電機在工作前驅動板發生直通的情況；取消類型3的窄脈沖則無影響(由于EMC干擾發生直通后，延遲5 ms會發解鎖脈沖，可有效使充電機恢復正常)。故考慮增加“充電機前級第四象限工作前，對驅動板復位并發送窄脈沖解除直通”的機制(亦可實現類型1窄脈沖的功能，在本文中定義為類型4窄脈沖)，取消原類型1及類型3的窄脈沖。優化后列車輔助系統控制軟件邏輯如表3所示。

表3 新版列車輔助系統控制軟件應對充電機IGBT驅動板直通故障優化前后復位機制

為確保優化后的復位機制有效可靠，需對其進行驗證。在充電機前級第四象限工作前的工況下，諧振和降壓電路暫未工作，降壓電路輸入電壓最高值為上次正常工作電壓200 V；且輸入輸出電容都并聯有自己的放電電阻，故輸出電壓最低值大于0，此時電感兩端壓差小于200 V。實際測試中,IGBT電流小于100 A，無應力風險。驗證結果表明，新版列車輔助系統控制軟件控制邏輯可有效避免IGBT過電壓應力，有效解鎖充電機直通過流現象，且復位解鎖過程充電機電感電流不超過100 A，能夠保證充電機的正常使用。

4 結語

蘇州軌道交通4號線車輛輔助逆變器已于2021年4月份全部更新為新版列車輔助系統控制軟件。跟蹤至2021年12月，未再發生充電機驅動板直通故障，輔助逆變器運行狀態良好。但需明確的是，通過此方式使驅動板復位、避免過流情況發生非長久之計，僅在現場用車條件緊張、干擾源排查無實質性進展的情況下，可采用此方式作為臨時措施，在一定程度上緩解用車壓力。要從根本上解決此問題，還需聯合供應商對電路原理設計及元器件選型、驅動方式、線路屏蔽等方面重新進行優化。目前，蘇州軌道交通5號線及后續線路的車輛輔助逆變器充電機模塊不再采用與4號線同類型的驅動板，可從根本上有效避免上述故障的發生。5號線已于2021年6月開通運營，運營半年以來，未發生車輛輔助系統充電機驅動板直通故障。此外，鑒于廠家提供的初版軟件存在漏洞情況，筆者建議在進行軟件升級或者變更前，應充分進行測試驗證以保證能夠全面覆蓋裝車應用的各種惡劣條件。