NJ2機(jī)車牽引逆變器相模塊飽和的原因分析及預(yù)防措施

摘要：NJ2機(jī)車自投入運營以來，作為交直交傳動機(jī)車核心部件的主電路逆變器相模塊（電力電子器件IGBT和驅(qū)動電路），頻繁發(fā)生飽和導(dǎo)通的故障問題。通過對IGBT器件工作原理和器件特性的認(rèn)識，結(jié)合現(xiàn)場實際狀況，找出故障發(fā)生的機(jī)理，制定合理的預(yù)防措施。

關(guān)鍵詞：交流傳動內(nèi)燃機(jī)車;相模塊;電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);擎住效應(yīng);米勒效應(yīng)

前"言

2006年舉世矚目的青藏鐵路全線通車之際，為有效保障這條通過生命禁區(qū)的鋼鐵大動脈的暢通無阻，鐵道部引進(jìn)由美國GE公司生產(chǎn)的高原型C38-Ache大功率交流傳動內(nèi)燃機(jī)車。投入運營以來，以其性能的穩(wěn)定可靠，收到了良好的客貨運輸效益。近年來，隨著78臺C38-Ache機(jī)車總走行公里數(shù)的不斷增加，一些因保養(yǎng)不到位或部件老化引起的故障逐漸開始發(fā)生，有些甚至呈現(xiàn)上升趨勢，已經(jīng)影響到機(jī)車途中的正常運行。其中，C38-Ache機(jī)車牽引逆變器相模塊飽和就是一個典型的故障。根據(jù)技術(shù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，僅2014年，因相模塊飽和的故障就發(fā)生94起。為解決相模塊飽和問題，下面從C38-Ache機(jī)車傳動原理介紹、故障模塊現(xiàn)場檢查情況以及相模塊失效的發(fā)生機(jī)理等方面分別予以闡述。

一、NJ2機(jī)車傳動原理簡述

C38-Ache機(jī)車主電路采用交-直-交傳動方式。主發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電經(jīng)過主整流器變?yōu)橹绷麟姡斔椭翣恳孀兤鞯恼?fù)極母線。牽引逆變器根據(jù)機(jī)車速度以及中央控制計算機(jī)傳來的控制指令，將主整流器輸出至母線的直流電轉(zhuǎn)換成可變頻率的交流電，供給牽引電動機(jī)。C38-Ache機(jī)車牽引逆變器屬開關(guān)網(wǎng)絡(luò)型橋式逆變器，如下圖所示。

圖中所示的開關(guān)元件為絕緣柵雙極晶體管（Insulated"Gate"Bipolar"Transistor），簡稱IGBT。IGBT開關(guān)在C38-Ache機(jī)車上也稱作相模塊。因為逆變器要產(chǎn)生三相交變電流（A相，B相和C相），所以每一個牽引電動機(jī)逆變器包括六個相模塊，而且電機(jī)的每一相經(jīng)開關(guān)元件既要與正極連接又要與負(fù)極連接，把六個IGBT開關(guān)中的三個接到供電電源的正極，三個接到供電電源的負(fù)極，就組成了一臺交流牽引電機(jī)的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。外加其他所需的驅(qū)動電路、驅(qū)動控制電路、相模塊檢測電路以及驅(qū)動信號傳輸光纜等支持設(shè)備，就是一臺完整的逆變器。

正常工作時，牽引逆變器控制器按照三相交流電動機(jī)的相序要求，分時控制六個開關(guān)元件按照一定的次序動作。但每一相橋臂須確保正負(fù)開關(guān)元件不能同時導(dǎo)通，以防母線短路。

二、故障現(xiàn)象和檢查發(fā)現(xiàn)的問題

在實際運用過程中，在同一相逆變橋臂的正負(fù)兩個開關(guān)元件中，其中一個開關(guān)元件正常導(dǎo)通時，另一個開關(guān)元件卻因外部因素以及器件本身等原因?qū)е聳艠O失控，發(fā)生未及時關(guān)斷的故障現(xiàn)象。當(dāng)逆變器檢測電路檢測到此故障現(xiàn)象后，會及時反饋信息給逆變器控制器，逆變器控制器在對此逆變器予以完全隔離的同時，通知機(jī)車中央控制計算機(jī)。由中央控制計算機(jī)記錄該故障信息，并通過人機(jī)界面和警鈴方式告知司機(jī)，當(dāng)臺牽引逆變器存在故障。

機(jī)車入庫后，通過對故障下車相模塊的外觀檢查和測量，損壞下車的相模塊具體分為兩類：

1、IGBT元件PN結(jié)發(fā)生擊穿損壞，外觀上并未出現(xiàn)燒損跡象;

2、IGBT元件PN結(jié)發(fā)生擊穿，且存在明顯的灼燒痕跡。

檢查故障相模塊時，我們還發(fā)現(xiàn)，所有發(fā)生飽和故障的相模塊IGBT散熱片均被灰塵完全覆蓋，存在嚴(yán)重的散熱不良問題，如圖：

而且從機(jī)車逆變器外部線路到逆變器所有組件的檢查中，再未查出其他故障影響因素，初步判斷為散熱不良就是引起的IGBT器件飽和的主因。下面從IGBT工作原理及失效的常見原因入手，并結(jié)合IGBT的高溫特性予以分析。

三、故障原因分析

1、IGBT柵極失控（達(dá)到飽和）常見原因

自從大功率電力電子器件IGBT問世以來，根據(jù)實驗室以及現(xiàn)場應(yīng)用的累計經(jīng)驗，IGBT柵極失控導(dǎo)致器件飽和導(dǎo)通的原因通常有一下幾方面的原因。

（1）過流觸發(fā)擎住效應(yīng)導(dǎo)致IGBT"損壞

IGBT有一定瞬時抗過流能力，外部控制邏輯也能提供一定保護(hù)。最主要的是IGBT驅(qū)動電路保護(hù)措施的設(shè)計一定要嚴(yán)密。由于IGBT半導(dǎo)工藝結(jié)構(gòu)上存在一個寄生晶體管，也就是寄存可控硅。IGBT的理想等效電路如圖1所示。

圖1"理想的等效電路

它是一個PNP雙極晶體管和功率MOSFET采用達(dá)林頓連接而形成的單片BI-MOS晶體管。而實際的IGBT的等效電路卻如圖2所示。

IGBT"實際等效電路與理想等效電路相比不同之處在于T2"與T3"分別為可控硅與功率MOSFET"構(gòu)成的。圖中T2"是有條件的寄生存在的。正常使用不存在T2。但由于IGBT"制造工藝問題，存在一個低阻值擴(kuò)散電阻Rd，在一般正常使用情況下，由于Ic"在"Rd"上的正向偏壓不足以打開寄生NPN"T2"晶體管，此時等于不存在T2。

當(dāng)Ic"電流在Rd"上的壓降大到能夠使寄生NPN"T2"導(dǎo)通，由于正反饋原因，使T2"和T3"快速處于全導(dǎo)通狀態(tài)。這樣在Ic"過流條件下，T2"的寄生晶體管存在，T2"和T3"晶體管已形成導(dǎo)通。門極控制作用失靈，失去控制作用，形成自鎖現(xiàn)象，這就是擎住效應(yīng)。一旦形成自鎖，集電極電流增大，產(chǎn)生高熱消耗，導(dǎo)致器件損壞。另外在IGBT"關(guān)斷的動態(tài)過程中，dvce/dt"變化太快，在結(jié)電容中產(chǎn)生較大的位移電流，流過擴(kuò)散電阻Rd，也會產(chǎn)生足以使NPN"T2"晶體管導(dǎo)通的正向偏壓，觸發(fā)T2"的導(dǎo)通形成自鎖。

（2）尖峰電壓過高損壞

由于IGBT"的感性負(fù)載，在關(guān)斷時產(chǎn)生尖峰電壓，如果尖峰電壓過高也會造成器件損壞。這時損壞往往為內(nèi)置FWD"二極管被擊穿

（3）柵驅(qū)動電路控制邏輯失靈導(dǎo)致橋臂直通

由于Miller（米勒效應(yīng)）效應(yīng)，當(dāng)IGBT關(guān)斷時可能從主回路藕合過來一個電壓到VGE。當(dāng)VGE達(dá)到開啟電壓時可能造成柵驅(qū)動電路控制邏輯失靈導(dǎo)致橋臂直通，燒壞IGBT。

2、IGBT過熱對器件失控的影響分析

IGBT在導(dǎo)通過程中，無可避免要產(chǎn)生損耗。電流通過器件本身PN結(jié)產(chǎn)生的壓降會產(chǎn)生額定損耗，IGBT作為開關(guān)原件，在開通和關(guān)斷過程中，di/dt不可能達(dá)到無窮大，所以還會產(chǎn)生開關(guān)損耗。根據(jù)額定損耗以及開關(guān)損耗所產(chǎn)生的熱量，IGBT結(jié)溫（Tj）不能超過150攝氏度（一般不應(yīng)超過125攝氏度）。

IGBT溫度的升高對IGBT的正常工作有兩方面的影響。

（1）由IGBT器件高溫特性得知，在一定范圍內(nèi)器件溫度升高有助于改善IGBT的靜態(tài)下的通態(tài)特性，但對動態(tài)特性卻帶來不良影響。研究機(jī)構(gòu)實驗結(jié)果早已表明，IGBT關(guān)斷時間會隨著溫度的升高而延長。

（2）引起IGBT自鎖的集電極電流稱之為擎住電流（NJ2機(jī)車故障事件記錄稱之為相模塊飽和）。根據(jù)半導(dǎo)體器件的放大特性可知，當(dāng)溫度升高后，在上述“實際的IGBT等效電路”中，晶體管T2、T3的電流放大系數(shù)均有所增大，而且擴(kuò)散電阻Rd的阻值也會也會因溫度的升高而增大。T2、T3放大系數(shù)增大以及Rd阻值增大均會對IGBT自鎖條件的形成起到一定的促進(jìn)作用。擎住電流值在室溫下一般為平均工作電流的六倍以上，但在IGBT溫度升高至150攝氏度時，擎住電流會下降至平均工作電流的三倍左右，當(dāng)IGBT溫度升高至200攝氏度時，正常的工作電流就可以達(dá)到擎住電流，使IGBT自鎖而失控。

至此，我們不難發(fā)現(xiàn)，IGBT散熱片被灰塵覆蓋導(dǎo)致的散熱不暢對機(jī)車牽引逆變器相模塊飽和導(dǎo)通有著不可忽視的作用。由于機(jī)車檢測系統(tǒng)無法檢測IGBT元件溫度，為了驗證故障原因理論推理的真實性，按照GE工程部的建議方案，對頻繁發(fā)生飽和故障的機(jī)車逆變器IGBT散熱片灰塵進(jìn)行現(xiàn)車吹掃。經(jīng)過對實施吹掃的三臺機(jī)車的跟蹤結(jié)果來看，散熱片實施吹掃后故障報警再無發(fā)生。由此，推理得到驗證。所以，清除相模塊散熱片表面覆蓋的灰塵，并查找、消除灰塵進(jìn)入散熱片的渠道，才是解決機(jī)車牽引逆變器相模塊飽和故障關(guān)鍵。

四、預(yù)防措施

依據(jù)故障原因分析的結(jié)果，我們會同GE公司現(xiàn)場服務(wù)組，從灰塵來源和灰塵消除兩方面著手。

1、以逆變器/主發(fā)電機(jī)通風(fēng)回路為重點，查找灰塵來源

牽引逆變器冷卻用風(fēng)通路如下圖所示，交流發(fā)電機(jī)通風(fēng)機(jī)通過電氣室兩側(cè)的V形濾網(wǎng)把空氣吸入系統(tǒng)。V形濾網(wǎng)能防止大的雜物（如樹葉、植物纖維和羽毛等等）進(jìn)入系統(tǒng)。接下來，空氣流過兩個位于電氣室兩側(cè)的空濾器柵。這些空濾器柵能濾除空氣中細(xì)小的污物顆粒。經(jīng)濾清的潔凈空氣經(jīng)過牽引逆變器相模塊背面和整流裝置二極管背面的散熱片，使功率電子器件得以冷卻。為了確保冷卻空氣通路暢通，利用機(jī)車定期修的充裕時間，制定整修計劃，對牽引逆變器冷卻用風(fēng)通路予以徹底清潔，尤其是對電氣室兩側(cè)的空濾器柵和V形濾網(wǎng)予以堆積物的清理。在保證牽引逆變器冷卻用風(fēng)通路暢通的同時，也有效發(fā)揮V形濾網(wǎng)和空濾器柵的除塵作用。，同時對通風(fēng)通道的密封性能做徹底的檢查整修，防止灰塵不經(jīng)空濾器柵直接進(jìn)入冷卻用風(fēng)通道。

牽引逆變器冷卻用風(fēng)通路

2、對相模塊進(jìn)行現(xiàn)車改造吹掃

根據(jù)機(jī)車相模塊的結(jié)構(gòu)特點和GE工程部的建議方案，在做好必要的器件安全防護(hù)措施下，現(xiàn)場對相模塊進(jìn)行開孔。通過開啟的鉆孔將壓力空氣噴嘴插入到任一鉆孔，壓縮空氣通過噴嘴，在散熱器上上下移動，在同一相模塊開啟的另外一個鉆孔插入強(qiáng)力吸塵設(shè)備同步進(jìn)行吸塵。當(dāng)前鉆孔清理完成后，使用一個手電筒，進(jìn)行目視檢查，確認(rèn)清理達(dá)到預(yù)期效果。然后，將壓力空氣噴嘴和吸塵設(shè)備在兩個鉆孔間進(jìn)行互換，重復(fù)執(zhí)行一次吹掃和吸塵的操作，并確認(rèn)檢查清理效果。確保污垢清理盡可能完全。當(dāng)機(jī)車所有相模塊執(zhí)行孔鉆清理后，當(dāng)臺機(jī)車逆變器散熱片的清理工作結(jié)束。

GE工程部建議改造方案圖

結(jié)束語

根據(jù)本次相模塊過熱飽和故障的結(jié)論分析和實際改造，會同GE公司現(xiàn)場服務(wù)組和相關(guān)檢修單位對此次故障的治理做效果檢驗總結(jié)如下：

1、大大降低了IGBT故障率。通過對IGBT飽和導(dǎo)通故障較為頻繁的機(jī)車改造后的故障統(tǒng)計結(jié)果來對比，2013年6-7月份共計發(fā)生故障27起，經(jīng)過改造后，同期相比，未發(fā)生任何故障。

2、有效降低了工作量。前期對IGBT的無法進(jìn)行清掃，改造之后，只需要用壓力空氣配合吸塵器進(jìn)行清掃，方便以后定期修中的清掃工作。

參考文獻(xiàn)：

[1].《現(xiàn)代電力電子器件及其應(yīng)用》.北方交通大學(xué)出版社.2002年3月第1版

[2].《C38-Ache機(jī)車電氣和控制系統(tǒng)》.內(nèi)參