地鐵列車牽引逆變器中IGBT動(dòng)態(tài)不均衡故障分析

吳 浩

（上海軌道交通維護(hù)保障中心 車輛公司，上海200233）

目前國內(nèi)地鐵列車牽引逆變器主要采用IGBT構(gòu)成的VVVF逆變器。在日常運(yùn)營維護(hù)中，IGBT損壞是逆變器故障的主要原因。常規(guī)的檢測一般包括各極間的阻抗值測量、絕緣耐壓試驗(yàn)等。然而以上這些常規(guī)方法，對(duì)于一部分低壓特性良好，而內(nèi)部有功能損壞的IGBT卻無能為力，即使采用一般的通電檢測也收效甚微，導(dǎo)致逆變器維修質(zhì)量不穩(wěn)定，返修率上升，不僅增加了維護(hù)工作量，而且還導(dǎo)致不必要的成本浪費(fèi)，本文正是針對(duì)這一難以判斷的故障，設(shè)計(jì)、試驗(yàn)解決這一問題。

1 IGBT在地鐵牽引逆變器的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前地鐵列車的接觸網(wǎng)制式有1 500 V和750 V兩種，以上海地鐵的1 500 V接觸網(wǎng)制式為例，列車VVVF牽引逆變器所使用的IGBT的技術(shù)參數(shù)均為3 300 V／1 200 A，生產(chǎn)商有三菱、日立、ABB、英飛凌等。

當(dāng)今高功率IGBT模塊中的IGBT元胞通常多采用溝槽柵結(jié)構(gòu)，消除了平面柵結(jié)構(gòu)器件中存在的相鄰元胞之間形成的結(jié)型場效應(yīng)晶體管效應(yīng)，同時(shí)引入了一定的電子注入效應(yīng)，使得導(dǎo)通電阻下降，為增加長基區(qū)厚度、提高器件耐壓創(chuàng)造了條件。圖1所示為用于上海地鐵3號(hào)線列車牽引逆變器的IGBT。

圖1 IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理

2 支路動(dòng)態(tài)電流平衡試驗(yàn)原理

從原理上，IGBT可以認(rèn)為由3個(gè)內(nèi)結(jié)構(gòu)完全相同的單元構(gòu)成（見圖1）。正常情況下，IGBT的工作電流由這3個(gè)單元電流組成，本文稱之為支路電流。理論上，當(dāng)列車牽引逆變器正常運(yùn)行時(shí)，每個(gè)IGBT內(nèi)部支路的穩(wěn)態(tài)電流在數(shù)值上相等；而暫態(tài)情況下，盡管受到線路中雜散電感或結(jié)電容的影響，但動(dòng)態(tài)電流的差別也應(yīng)不大。根據(jù)這一推測，這里設(shè)計(jì)如下動(dòng)態(tài)電流試驗(yàn)。

為了盡可能地減弱IGBT個(gè)體差異給試驗(yàn)結(jié)果帶來的影響，被測試的IGBT應(yīng)同品牌、同型號(hào)且盡量同批次。試驗(yàn)電路按照如圖2所示的半橋逆變電路連接，其中IGBT－2為被測功率管，IGBT－1為輔助功率管，起續(xù)流作用。主電路以一定標(biāo)準(zhǔn)值的電感作為負(fù)載，以便觀察波形。

圖2 支路動(dòng)態(tài)平衡試驗(yàn)原理和試驗(yàn)

3 實(shí)例及分析

本次試驗(yàn)以Eupec（Infineon）生產(chǎn)的3 300 V／1 200 A的IGBT作為試驗(yàn)對(duì)象。試驗(yàn)共用3只同一批次的功率管，其中2只為已用件，作為被測對(duì)象；另1只為新件，作為續(xù)流使用。試驗(yàn)采用雙脈沖法，續(xù)流管保持不變，被測管輪換。

單次試驗(yàn)步驟如下：①初始過程：選取適當(dāng)?shù)呢?fù)載電感，閉合開關(guān)S1，電容器充電，充電結(jié)束后S1斷開；②第1次脈沖（建立iL）：施加正向脈沖使IGBT－2導(dǎo)通，電容向負(fù)載電感放電，iL建立，施加反向脈沖使IGBT－2關(guān)斷；③第2次脈沖：再次施加正向脈沖使IGBT－2導(dǎo)通，由于時(shí)間極短，這時(shí)可認(rèn)為iL不變，IGBT－2與電感構(gòu)成回路，用環(huán)形電流表與可存儲(chǔ)式示波器記錄此時(shí)的開通過程，關(guān)斷IGBT－2，電感負(fù)載通過二極管續(xù)流至零，單次試驗(yàn)結(jié)束；④調(diào)換被測功率管，重復(fù)試驗(yàn)。雙脈沖試驗(yàn)的持續(xù)時(shí)間約200μs。圖3為被測2只IGBT在雙脈沖試驗(yàn)中，第2次脈沖開通過程的參數(shù)波形，記錄長度為5μs。

圖3 支路動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中被測IGBT開通特性

從兩個(gè)器件的試驗(yàn)結(jié)果中各抽取兩條支路的電流，分別從穩(wěn)態(tài)和峰值兩個(gè)方面來對(duì)比（見表1），可知：①從峰值來看，疑似損壞件的支路電流峰值偏離高達(dá)15%左右，而全新器件只有不到7%；②從穩(wěn)態(tài)值來看，疑似損壞件的支路電流峰值偏離超過6%，全新器件則基本無偏離。經(jīng)多次重復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該結(jié)果數(shù)值具有一致性，由此可斷定疑似損壞件為功能受損件，臨修時(shí)應(yīng)予以更換。

經(jīng)比對(duì)維修記錄，該受損IGBT所在的逆變模塊，臨修多次均未查出故障，但裝車試驗(yàn)無法通過，返修多次。

表1 支路電流動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析（IGBT開通） A

表中：

Δp＝｜I1p－I2p｜，表示支路電流峰值偏離；

Δs＝｜I1s－I2s｜，表示支路電流穩(wěn)態(tài)值偏離；

δp＝ （IΔp／Inorm）100%，表示支路電流峰值偏離指數(shù)；

δs＝ （IΔs／Inorm）100%，表示電流穩(wěn)態(tài)值偏離指數(shù)；

Inorm為該型號(hào)IGBT的額定值，這里取Inorm＝400 A。

4 結(jié)束語

支路單元損壞是導(dǎo)致IGBT最終損壞的一個(gè)主要原因，現(xiàn)場臨修時(shí)不易檢測。文中給出的IGBT支路單元?jiǎng)討B(tài)試驗(yàn)方法，提出了判斷這一故障的方法。具體操作方法和判斷依據(jù)，可通過部件臨修時(shí)，更換下的IGBT進(jìn)行試驗(yàn)和數(shù)據(jù)積累，還可結(jié)合實(shí)際列車故障情況，進(jìn)一步探索功率器件損壞規(guī)律。該方法簡單實(shí)用，不僅可用于列車大功率逆變器日常檢修，對(duì)該部件的大修也有重要的參考價(jià)值。

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