高速動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)

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

1 功率模塊故障的描述

發生功率模塊故障時，案例動車組運行工況皆為正常工況，采用正常運行模式，且動車組運行速度為300 km/h。

高速動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，牽引變流器內部的4QC(四象限整流器)將來自變壓器的單相交流電轉換成直流電；然后，由PWMI(電機變流器模塊)將該直流電轉換成電壓幅值、頻率可變的三相交流電，以供給三相交流異步牽引電機。牽引變流器通過對4QC和PWMI的控制來實現列車的牽引、調速和制動[1]，通過對逆變器輸出電流幅值及頻率的控制來實現對電機轉矩及轉速的控制。

進一步分析可知，功率模塊實質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，來實現對電流的整流逆變功能。高速動車組采用IGBT作為開關器件的調制器和高壓電源，具有效率高、體積小、質量輕、可靠性高、易模塊化設計等優點，其使用和維護費用也較低。但IGBT的驅動電路要求驅動能力強、保護迅速有效[2],若功率模塊發生故障，導致牽引變流器控制門極關閉，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閉開始至上下橋臂門極指令信號接通的時間t1固定為10.0 μs，且上、下橋臂門極指令不能同時接通。

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 非重疊時間過短

根據圖1的情況：上橋臂門極反饋信號關閉并經過一定的非重疊時間后，下橋臂的門極指令信號接通，隨后下橋臂門極啟動；上橋臂門極啟動同理。

目前，t1設定為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要求，但一旦實際非重疊時間極短，就會發生邏輯判斷失效。因此，非重疊時間過短可能是引起功率模塊故障的原因之一。

根據這一推理，對案例動車組的故障數據進行分析發現，功率模塊IGBT元件上下橋臂門極動作存在非重疊時間極短的現象。某次功率模塊發生故障時的監控器數據如圖2所示。

圖2 某次功率模塊發生故障時的監視器數據截圖

根據圖2，當故障發生時，實際的非重疊時間僅為2.0 μs。這雖不至于造成IGBT短路，但2.0 μs遠小于原設想的5.0 μs。因此，可能存在自身橋臂及上下橋臂主電路動作的狀況。

基于數據分析，繪制功率模塊故障發生時的主電路電流流過方向和IGBT開關狀態如圖3所示。

由圖3分析IGBT元件關斷動作失敗的情況：

注：BD事故指IGBT被擊穿。

1)逆變器U相上橋臂IGBT元件在ON動作中，開始關斷動作。

2)在正常情況下，當上橋臂IGBT元件關斷后(即IGBT元件反饋信號變為OFF狀態后)，下橋臂IGBT元件開始導通動作。而故障情況下,當下橋臂IGBT元件變為ON狀態時(即IGBT元件反饋信號變為ON狀態時)，OFF狀態的上橋臂IGBT元件突然變為ON狀態，發生主電路短路。

為了進一步分析功率模塊發生故障時的IGBT元件關斷動作，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，測量結果見圖5。

注：Vce為IGBT電壓；Ige為門極驅動電流。

圖5 測量結果截圖

由圖4及圖5可見，從上下橋臂中的任一橋臂關斷門極電流流出后到另一方橋臂導通門極電流流出前，時間間隔約為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間就越長。故由圖5所示測量結果判定：在集電極電流遮斷前，另一方的IGBT導通；其結果是關斷動作中的IGBT集電極電壓發生急劇變化。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作等。

分析上述結果可知，IGBT元件的關斷失敗極可能是由集電極電壓急劇變化引起的門極誤動作所導致，而集電極電壓的急劇變化很有可能是非重疊時間過短導致。

2.2.2 IGBT元件門極突然啟動

通過對另外一起故障數據分析發現，當IGBT元件門極處于關斷(OFF)狀態且未得到接通指令時，IGBT元件門極突然執行接通(ON)指令轉為啟動狀態。IGBT元件門極突然啟動的信號變化情況如圖6所示。

圖6 IGBT元件門極突然啟動時的信號變化情況

IGBT元件門極突然啟動時的主電路電流流過方向和IGBT開關狀態如圖7所示。

圖7 IGBT元件門極突然啟動示意圖

由圖7可見，逆變器U相上橋臂IGBT元件在OFF指令輸入狀態下突然變為ON(啟動)狀態，進而使主電路發生短路，引發功率模塊故障。進一步分析故障發生過程如下：

1)從事故數據看，當逆變器U相上橋臂IGBT元件突然變為ON時，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切換。由此推測，不存在由其他相開關引起干擾導致的門極誤動作或邏輯故障等。當故障發生后，更換的功率模塊能運轉正常。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)進一步分析可知，在圖4的狀態中，故障IGBT元件的發射極-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，使芯片局部發熱，導致發生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行時間增加而增加。

由運行時間與事故發生頻度的關系推斷，IGBT元件門極突然啟動現象，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

統計故障數據可發現，高溫天氣期間(7月—10月)是功率模塊的故障多發期。由此可以推斷，較高的環境溫度也可能是功率模塊發生故障的原因。

根據對所有故障數據的分析發現，所有功率模塊故障均為非重疊時間較短或IGBT元件門極突然啟動導致，尚沒有僅由高溫導致的功率模塊故障數據。綜合考慮夏季運行的實際情況，當車內空調及車上散熱風機高負荷運行時，牽引變流器更易發生非重疊時間較短與IGBT元件門極突然啟動的情況。由此可以推斷，高溫天氣條件只是導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間

針對非重疊時間過短的情況，為確保集電極電流有充分的遮斷時間，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：門極反饋關閉開始經過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元件關斷時的主電路電流及電壓特性，結果如圖9所示(測量位置和圖5相同)。從圖9可見，關斷動作中集電極電壓急劇變化的現象已消失。

對比圖9及圖5可見，修改IGBT元件門極非重疊時間的邏輯控制，能有效防止IGBT的劣化及門極誤動作，去除IGBT關斷動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果

3.2 更換出現問題的功率模塊

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

4 結語

本文針對某型高速動車組頻發的牽引變流器功率模塊故障進行故障原因分析。對于因產品初期批次質量問題導致的模塊故障，通過淘汰發生故障的功率模塊來剔除不合格產品；對于由IGBT門極非重疊時間過短導致的功率模塊故障，可通過變更邏輯控制的方法，有效防止IGBT的門極誤操作，實現門極非重疊時間的合理控制，從而有效減少功率模塊故障的發生。實踐情況證明，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，大大節約檢修成本，又降低了線路運行的故障率，對高速動車組的安全運營具有重大意義。