HXD 3型電力機車主牽引變流器中IGBT的故障分析及技術措施

焉 穎

（濟南鐵路局 濟南西機務段，山東濟南250021）

IGBT是20世紀80年代出現的一種新型電力電子器件，它把 MOSFET和GTR的優點結合在一起［1］，使它成為電力半導體器件的主流器件，尤其在變流領域中得到了廣泛應用。

1 IGBT在HXD 3型電力機車CI中的應用

IGBT可視為雙極型大功率晶體管與功率場效應晶體管的復合。通過施加正向門極電壓形成溝道、提供晶體管基極電流使IGBT導通，反之若提供反向門極電壓則可消除溝道、使IGBT因流過反向門極電流而關斷。比較而言，IGBT的開關速度低于MOSFET，卻明顯高于GTR；IGBT的通態壓降同GTR相近，但比MOSFET低得多；IGBT的電流、電壓等級與GTR接近，而比 MOSFET高，其開關損耗比兩者都低得多。而且IGBT正向著高耐壓、高頻率、大電流、低飽和壓降、高可靠、低成本的方向發展。

HXD3型電力機車主牽引變流器為牽引電機提供三相的變頻變壓電源，由整流器、逆變器（如圖1所示）、直流電路濾波電容、真空接觸器等主電路部分和無接點控制單元等控制電路部分構成的裝置。根據車輛的速度，通過矢量控制，精確快速地控制牽引電機的轉矩和轉速。IGBT的四象限整流和逆變，對牽引和制動實行連續控制，具有低噪聲，省電力等優點。

圖1 HXD 3機車CI整流器、逆變器單元體

整流器單元使用了模塊形IGBT元件，整流方式為二電平電壓型PWM方式，通過高速開關元件的使用以及對各組CI控制載波的相位差控制，來降低高次諧波、提高功率因數。逆變器單元同整流器單元一樣，使用了同樣的IGBT元件、謀求單元的標準化。通過高速IGBT和32b／s高速演算控制裝置的配合進行高速矢量控制，提高了電機轉矩控制響應速度、實現了高黏著控制和高速的空轉慣性補償控制。

機車再生制動時，逆變器工作在整流狀態，四象限整流器工作在逆變狀態，并通過中間支流回路向主變壓器牽引繞組饋電，將再生能源回饋到接觸網。

2 IGBT故障現象及原因分析

圖2 IGBT模塊

CI部分的整流和逆變部分所采用的IGBT元件，如圖2所示。其額定電壓：4 500 V（集電極—發射極之間電壓）；額定電流900 A（集電極的有效電流值）；最大電流1 800 A；使用溫度：－40℃～125℃；絕緣耐電壓：6 000 V交流（1 min）［2］。IGBT在工作時經常遇到各種工作狀況，如過載、橋臂直通、過高的電流增長率、過高的電壓增長率、散熱不好等，這些都會影響IGBT的正常工作［3］，導致IGBT性能下降，甚至燒損IGBT。即使是國外著名大公司的產品，IGBT模塊炸損事故也有發生。

機車運行狀態中如出現短路，過載等情況，可能會引起IGBT模塊粗線鍵合在芯片與金屬焊接處斷開，此時在焊點周圍會產生金屬蒸汽團，在模塊中建立起一種等離子體，此類情況較難進行把控。由于內部氣體不斷膨脹，殼體受到內部壓力而破裂。如果內部等離子體密度、壓力很大，而外殼密封又很好，所以一旦到達極限時，就會出現類似壓力容器爆炸的事故，而且爆炸過程等離子體進入設備中，造成整個系統的嚴重損壞、甚至造成列車停留在區間，嚴重影響運輸秩序及行車安全，IGBT炸損事故如圖3所示。2010年濟南西機務段某型號機車途中發生微機顯示屏報CI3故障，并且跳主斷。回機務段檢查發現CI3整流模塊U相單元體的IGBT炸損，并且查看此故障記錄時發現此故障的故障記錄真實存在，如圖4所示。從CFDC2的故障信號可以得知，CI3相IGBT內部短路故障發生的時間是2010年12月22日00點29分18秒，并且根據故障記錄中的GCFDCU，GCFDCV故障信號的電平變化，其中的V相是在U相發生故障后受到干擾導致的電平誤動作信號。

圖3 IGBT炸損事故

圖4 機車故障記錄數據

IGBT的失效問題如果以失效因素來分，可分3大類：第1類是內部結構缺陷和制造工藝帶來的潛在失效；第2類就是各種外部應力對其造成的失效，如電應力（表現為過電壓、過電流毛刺）、熱應力、靜電、輻射、濕度等；第3類是電路其他環境對其造成的影響，例如驅動電路、吸收電路、回路寄生電感、寄生電容等。這些環節設置不好，將加速器件的失效。

這里對HXD3機車CI部分中IGBT失效現象做針對性的分析。

CI單元體內應用的開關器件，都要經受惡劣的運行環境、復雜的負載狀況的考驗，而IGBT模塊內部的結構對此狀況尤為敏感。IGBT模塊基板材料都是鋁瓷，通常稱為碳化硅鋁（AlSiC），這種材料具低膨脹系數和高熱導率的特性，因此稱為最理想的IGBT基板材料銅基板；襯底為金屬化的陶瓷板（稱DBC板）和芯片組成的多層結構（如圖5所示），它們是以機械焊接方式焊接起來的。芯片是通過許多一定粗細的鋁絲用所謂粗線鍵合（超聲波鋁絲壓焊）方法與管殼的發射極連接，如圖6所示。機車上的IGBT模塊要在幾秒間隔內承受快速變化的負載加熱和冷卻，但是每根鋁絲與芯片接觸面積僅占芯片有效面積的1／5左右，因此將產生芯片局部熱量變化、材料和焊接點產生疲勞引起的損壞。IGBT模塊在牽引狀態中應用對熱疲勞影響較大，再加上機車在牽引過程中一直處于劇烈的三維振動狀態，對其內部結構會產生不可忽視的影響，加劇了失效速度。

圖5 有基板功率模塊結構圖

圖6 芯片

為了實現裝置的小型化以及提高冷卻性能，對CI的冷卻采用強制循環水冷方式，利用去離子水和乙二醇的混合冷卻介質，通過熱交換器對IGBT器件進行冷卻，具有較好的冷卻效果。CI單元體內的IGBT模塊散熱基板材料是碳化硅鋁，而水冷的散熱板是鋁質的，二者通過多個螺栓固定并在其間均勻涂滿導熱硅脂。當機車在低溫情況下，迅速達到額定狀態，模塊內部節壓降和開關產生的熱量勢必要通過DBC板和基板熱傳導至鋁制散熱片而進行散熱。在如此的溫度變化而材質的熱膨脹系數不同的情況下，一定會對IGBT模塊內部造成一定的應力，使內部結構發生改變進而引發失效。

3 防止HXD 3機車IGBT失效的技術措施

IGBT的過流保護采用了瞬態鉗位保護和軟件保護兩種。當硬開關故障（簡稱HSF）和負載短路故障（簡稱FUL）發生后，IGBT處于短路狀態，以及密勒電容的影響，會產生很高的d i／d t，以至于使其進入擎住區，失控損壞。機車IGBT模塊的門極驅動電路內具有瞬態鉗位保護的功能，當短路故障發生后，Uce壓降升高，致使連接在C、E上的檢測二極管退飽和，進而封鎖門極驅動動作并反饋給控制單元報告錯誤，同時由軟件控制封鎖所有的驅動信號并報警，讓IGBT在進入擎住區前就自動關閉。

該種保護響應速度快，并具有可以發出反饋信號等特點。但是瞬間的高電壓沖擊是無法避免的，尤其回路中存在寄生電感而所使用的IGBT模塊中并沒有加入RC保護電路的情況下，會造成PN結不可恢復的損傷，因此要積極避免發生過電壓故障。而在應用過程中，機車的PG（速度傳感器）信號采集不準確，會引起控制單元采集的轉速信息不正確，進而引發對四象限整流器和逆變器的失調和超調，使中間直流電壓超過3 200 V的保護值，或者對負載的扭矩調整不正確，以及各種強磁干擾信號等都會誘發過電壓故障。因此，機車定修時應仔細檢查速度傳感器無異常，連線無損壞，插頭連接緊固，安裝可靠。為避免發生IGBT因環境高溫損壞，應仔細檢查冷卻水管道、管道各接頭部位、各種閥類應無漏水痕跡；檢查冷卻水位在刻線范圍內，如果不足，在查明不足原因后，注入缺少的冷卻液；高壓試驗確認冷卻水流量達到要求（200—220 L／min）；外觀檢查冷卻泵無異常，狀態良好。

4 結束語

隨著IGBT在電力機車中的廣泛應用，了解IGBT的原理和研究其應用技術就顯得更為重要。通過以上對應用在HXD3型電力機車主牽引變流器部分IGBT模塊原理及失效原因、措施的探討，希望為今后出現此類故障時原因查找及預防提供借鑒。

［1］黃 俊，王兆安．電力電子變流技術［M］．北京：機械工業出版社，2000．

［2］中國北車集團大連機車車輛有限公司．HXD3型交流傳動貨運電力機車培訓教材［G］．大連中國北車集團大連機車車輛有限公司，2007．

［3］Viond John Bum－Seok Sun．Circuit Protection of IGBT．Thomas A．Lipo．Fast Clamped Short IEEE．1998．