電力機車變流器中絕緣柵雙極型晶體管模塊炸裂原因及預防措施

白亞林

摘要：和諧電3b型電力機車自投入使用以來曾多次發生牽引變流裝置絕緣柵雙極型晶體管模塊炸裂破損故障。因此對和諧電3b型電力機車變流器中絕緣柵雙極型晶體管模塊炸裂原因的分析及預防勢在必行。文章將以電力機車變流器中絕緣柵雙極型晶體管模塊炸裂原因及預防措施作為切入點，在此基礎上予以深入的探究，相關內容如下所述。

關鍵詞：電力機車；變流器；絕緣柵雙極型晶體管模塊；炸裂；預防

眾所周知和諧電3b型電力機車配備三個牽引變流柜，各牽引變流柜的主電路與控制電路均為單獨存在，向六臺牽引電動設備與輔助系統傳輸交流變頻電。在一組變流裝置出現故障的狀態下，經微機控制系統（VCU）把故障變流裝置予以阻斷，同時可經微機顯示屏隔離特定的變流裝置，進而機車可以三分之二的牽引動力繼續運轉，而輔助系統經故障切換，兩組輔助變流裝置完成對全車系統與控制系統提供電能，達到機車的冗余控制。各牽引變流柜通過兩個網側變流裝置、兩個電機變流裝置以及一個輔助變流裝置所構成，這些變流裝置共用一套中間直流系統。兩個電機變流裝置向兩臺電機提供電能，而輔助變流裝置的電源源于牽引變流裝置的中間直流電路。

1.絕緣柵雙極型晶體管概述

絕緣柵雙極晶體管綜合了電力晶體管（Giant Transistor-GTR）和電力場效應晶體管的優點，具有良好的特性，應用領域很廣泛；絕緣柵雙極晶體管也是三端器件：柵極，集電極和發射極。絕緣柵雙極晶體管是MOS結構雙極器件，屬于具有功率MOSFET的高速性能與雙極的低電阻性能的功率器件。絕緣柵雙極晶體管的應用范圍一般都在耐壓600V以上、電流10A以上、頻率為1kHz以上的區域。多使用在工業用電機、民用小容量電機、變換器（逆變器）、照相機的頻閃觀測器、感應加熱電飯鍋等領域。

絕緣柵雙極晶體管是強電流、高壓應用和快速終端設備用垂直功率MOSFET的自然進化。MOSFET由于實現一個較高的擊穿電壓BVDSS需要一個源漏通道，而這個通道卻具有很高的電阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS（on）數值高的特征，絕緣柵雙極晶體管消除了現有功率MOSFET的這些主要缺點。雖然最新一代功率MOSFET器件大幅度改進了RDS（on）特性，但是在高電平時，功率導通損耗仍然要比絕緣柵雙極晶體管高出很多。

2.和諧電3b型電力機車變流器中絕緣柵雙極型晶體管模塊炸裂成因研究

2.1.外電路原因

絕緣柵雙極型晶體管模塊受損一般是因為輸出短路及接地等因素所導致。不過從實際檢查去分析，變流裝置模塊輸出電纜與電機等外部電路不存在問題，同時故障模塊在換置新的絕緣柵雙極型晶體管模塊后，牽引變流裝置恢復工作，所以我們可排除變流裝置模塊輸出短路及接地等因素導致絕緣柵雙極型晶體管損壞。

2.2.自身軟件原因

和諧電3b型電力機車使用DYTP150A的門驅動單元（GDU），因為受變流裝置特定運行條件下出現的共模電流干擾造成絕緣柵雙極型晶體管模塊故障。經對故障模塊的實檢測，高壓工業模塊（HVIM）經原始的變流設備模塊（CM-M）電纜及門驅動單元相連接，門驅動單元能夠被注入至高壓工業模塊終端的電壓脈沖所影響。

2.3.網壓波動導致絕緣柵雙極型晶體管模塊受損

通常在二十二至三十千伏網壓下，機車最大輸出功率為九千六百千瓦。而十九千伏的網壓下，機車最大輸出功率則為八千千瓦。網壓若不超過十七千伏的狀態下，牽引功率線性減少至零，不過輔助功率已然有效。機車功率特點見圖1。

在網壓超過三十一千伏的狀態下，牽引功率線性減少至零。經恒功率計算，能夠算出，在網壓為十九千伏時，網側變流裝置模塊A101與A102 輸入電流超過一千五百安培。所以，整流器輸入電流峰值設計值即：√2×1548×1.1=2410安培。在千分之十三坡道區域取機車滿功率的網壓與電流參數，通過公式算出電流參數為一千五百四十安培。整流器輸入電流峰值計算參數即：√2×1540×1.1=2400安培。

分析機車實際運行環節的客觀因素，實際檢測參數及理論計算參數會有兩個百分點的誤差，因此在網壓減少至十九千伏的狀態下，網側變流裝置模塊A101及A102輸入電流會超過三千安培，絕緣柵雙極型晶體管可以承受的最大電流極值為兩千四百三十安培。若長時間波動，那么可能會導致絕緣柵雙極型晶體管模塊受損。所以總結出，網壓波動大是導致絕緣柵雙極型晶體管模塊受損的主要因素。

3.預防的有效舉措

對于門驅動單元軟件問題予以升級。針對上述故障形式，將其局限于門驅動單元的兩個功能范圍內進行。完成升級后的軟件要深化門驅動單元的抗電磁影響能力，減少因為絕緣柵雙極型晶體管模塊開關速度造成的電磁干擾。防止在電磁影響狀態下發生延遲開通的問題，絕緣柵雙極型晶體管的最短開通時間要在驅動控制單元門驅動單元上被監測，減少電磁影響，降低絕緣柵雙極型晶體管開通與關斷的開關轉換速率。近年來，我們在一百臺和諧電3b型電力機車中選擇三十臺的門驅動單元予以軟件升級，在此基礎上予以試驗，直至二零一二年十二月，一百臺機車故障模塊共七十二個，其中舊版本軟件模塊為五十三個，新版本軟件模塊十九個，故障率降低了三十個百分點。

建議深化過流保護設定值。降低網壓波動所導致二次過電流保護，因為絕緣柵雙極型晶體管的遮斷試驗電流保護系數為兩千四百三十安培，因此過流保護參數可以增加至兩千六百安培。而針對網壓波動問題，我們可以對接觸網線路予以擴容處理。針對網壓波動問題建議對接觸網線路進行擴容改造。

4.總結

綜上所述，為了有效避免絕緣柵雙極型晶體管模塊炸裂，要深化抗電磁干擾能力，絕緣柵雙極型晶體管的最短開通時間仍然在驅動控制單元DCU上被監測，防止在電磁影響狀態下發生延遲開通的問題。雖然目前采取了一系列的預防舉措，控制了此類故障的發生，不過絕緣柵雙極型晶體管模塊炸裂問題還未得到根本的解決，伴隨對和諧電3b型電力機車的深入了解，我們會深入的予以研究，進而保障鐵路運輸的穩定性及可靠性。

參考文獻：

[1].劉賓禮，陳明，唐勇，王闊廳，絕緣柵雙極型晶體管模塊芯片測溫方法與溫度分布研究[J].武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2013（01）：15-17

[2].陳明，胡安，唐勇，汪波，，絕緣柵雙極型晶體管脈沖工作時結溫特性及溫度分布研究[J].西安交通大學學報，2016（04）：38-41

[3].耿莉，陳治明，等.結溫在線控制系統的絕緣柵雙極型晶體管功率模塊熱耦合模型[J].微電子學，2017（04）：37-38.