25G型統型客車充電機IGBT故障分析

譚結清

（湖南鐵路科技職業技術學院，湖南株洲412001）

0 引言

隨著鐵路電氣化的迅速發展，25G型客車車輛在鐵路上廣泛使用，其DC600 V客車電源已成為客車車輛的必備設備。25G客車電源的生產廠家有株洲中車時代電氣、南京華士、青島四方所、常州新譽、武漢正遠、溫州蘭普和北京鐵科院等單位。由于各廠家生產的客車電源產品型號、內部結構和電路原理各不相同，導致產品部件無法兼容和互換。為了方便用戶檢修和使用，北京鐵科院組織對客車電源進行了統圖設計，客車電源的主電路、控制電路和插件板接口都是相同的，用戶在處理客車電源故障時，不同廠家的插件可進行互換使用，大大增加了檢修的工作效率。

統型25G客車電源已開始在各主機廠進行生產交付，但新設計的產品都有一個不斷完善的階段，避免不了會出現一些問題，需要在實際應用中發現并改進。本文介紹的充電機IGBT（07）故障是新產品在南京浦鎮廠調試過程中出現的一種重大慣性故障，該故障若不及時提出有效的解決方案，待產品在各鐵路局車輛段大量投入使用后將帶來很多負面影響和嚴重后果。本文針對該故障進行的技術分析以及提出的解決方案，對降低產品故障率、提高產品的穩定性有重要的作用。

1 充電機工作原理及IGBT控制

如圖1所示，充電機主要由預充電電路、濾波電路、高頻逆變電路（包含高頻變壓器）、二次整流電路、輸出濾波電路、傳感器檢測電路、隔離驅動單元和微機控制單元等組成。充電機采用軟啟動工作模式：DC110 V控制電源給出，充電機執行自檢，當電壓傳感器TV301檢測到DC600 V電源電壓≥500（1±2%）V時，充電接觸器KM301吸合，開始預充電。當電壓傳感器TV301與TV302的電壓差小于DC50 V后，短路接觸器KM302吸合，充電機啟動運行。從充電接觸器閉合到充電機正常輸出的時間不超過14 s。當TV301檢測到電壓低于（450±5）V后，控制系統發出命令立即斷開KM301、KM302。在工作過程中，充電機如果出現任何輸出不正常的現象時，控制系統立即發出命令自動封鎖脈沖停止輸出。充電機主電路如圖2所示。

圖1 充電機結構框圖

圖2 充電機主電路圖

充電機采用移相全橋軟開關主電路，功率器件為IGBT。在充電機的IGBT通斷過程中，CPU控制板發出高頻PWM脈沖信號給驅動板，驅動板發出正偏電壓到IGBT門極使IGBT開通，而當驅動板發出負偏電壓到IGBT的門極時IGBT將會關斷。CPU控制板與驅動板結合實現IGBT的驅動，同時檢測IGBT工作狀態，一旦IGBT出現故障將由驅動板反饋給CPU控制板，以便用戶及時了解功率器件的工作情況[2]。

2 IGBT故障現象及處理措施

2.1 典型故障現象

南京浦鎮廠25G型統型客車電源交車期間，充電機IGBT故障頻發，僅半月時間內就連續發生5起充電機IGBT故障。此類故障代碼為07，如圖3所示。查看CPU控制板燈顯，為HL21綠燈閃、HL16紅燈亮，如圖4所示，該故障指示表示標號為Q302的IGBT（即IGBT模塊2）有故障。

圖3 充電機報07故障代碼

圖4 充電機CPU控制板故障燈顯

2.2 現場處理措施

現場排查故障時，將IGBT模塊2拆下，用萬用表蜂鳴檔測IGBT的1、3點，蜂鳴檔響且萬用表顯示為0 Ω，可以確認IGBT模塊2已經擊穿，見圖5?，F場對其中的兩臺充電機更換IGBT后，故障消除；而另外3臺充電機更換IGBT后沒有效果，還會將新更換的IGBT擊穿，只有更換整個充電機總裝模塊才能消除故障。

在現場交車期間，解決此問題主要方法是更換IGBT或整個充電機總裝模塊，因故障率較高，且即便更換IGBT也需要拆卸總裝模塊，大大增加了現場服務的工作量。由于充電機總裝模塊備品數量有限，每次出現此類故障都更換整個充電機總裝模塊，在客觀條件下無法實現，但更換新的IGBT也會有被擊穿的可能，所以在技術設計方面對該問題采取有效的解決方案勢在必行[3-4]。

圖5 用萬用表蜂鳴檔測IGBT模塊的1、3點

3 IGBT故障分析及解決方案

根據充電機控制原理及IGBT工作特性，充電機報IGBT故障一般存在以下3種情況：1）驅動板異常。充電機驅動板的輸出電壓過高與過低都不行，過低則影響IGBT工作的穩定性；輸出電壓過高，超過柵極—發射極之間的耐壓則IGBT可能永久性損壞。2）CPU板異常。充電機CPU控制板異常，導致故障信息誤報為IGBT故障，此種情況的可能性不大，但有時也會出現。3）IGBT模塊被破壞。IGBT的結溫是有允許值的，在工作過程中，一旦出現加在IGBT集電極與發射極實際電壓過大，并且超過集電極-發射極之間的耐壓時，就會導致流過的電流也會超過集電極—發射極允許的最大電流，時間一長，IGBT的結溫就會超過其結溫的允許值，IGBT被損壞幾乎不可避免了[5]。

診斷此類故障主要通過觀察CPU控制板故障指示燈確定故障范圍，再進一步通過儀器測量結果，結合工作原理進行分析，以快速準確地找到故障點。

本次統型充電機頻發IGBT故障，根據現場收集的信息及測量結果可以初步判斷：IGBT的集電極—發射極電壓擊穿失效，失效模式表現為短路。故該故障屬于以上所述的第3）種情況，第1）與第2）種情況據現場技術人員反映也曾出現過，但此故障現象比較少。

3.1 IGBT過壓保護

IGBT作為一種大功率的復合器件，存在著過流時可能發生鎖定現象而造成損壞的問題。在過流時如采用一般的速度封鎖柵極電壓，過高的電流變化率會引起過電壓，為此需要采用軟關斷技術，因而掌握好IGBT的驅動和保護特性是十分必要的。

IGBT開關過程中存在過電壓，關斷IGBT時，它的集電極電流下降率較高，尤其是在短路故障情況下，如不采取軟關斷措施，其臨界電流下降率將達到每微秒數千安培，極高的電流下降率將會在主電路的分布電感上感應出較高的過電壓，導致IGBT關斷時其電流電壓的運行軌跡超出其安全工作區而損壞。在實際應用中，若因設計缺陷或操作不當導致加在IGBT集電極與發射極允許的電壓超過集電極-發射極之間的耐壓，流過的電流超過集電極-發射極允許的最大電流，IGBT的結溫超過其結溫的允許值，IGBT就可能會永久性損壞。

3.2 IGBT故障原因分析

經現場觀察總結可以發現，在工作人員誤操作（先斷DC110 V控制電路，再斷DC600 V主電路）或做過分相試驗時，該問題出現的概率較大。

先斷DC110 V控制電路、再斷DC600 V主電路時，控制斷電導致直接封鎖CPU板PWM脈沖，使IGBT導通電流迅速衰減至零，即IGBT處于關斷狀態。由于電路中二極管D301與D302的阻礙（見圖6），導致此時原邊變壓器上的能量無法泄放，所以能量只能以電壓的形式加在IGBT上，致使IGBT上出現嚴重過壓，最終燒損IGBT。即使此時IGBT沒有燒損，一旦充電機重新給電后，電路中重新建立電流時，若是同向電壓疊加將會產生更高的電壓，將進一步加大IGBT燒損的可能。

在做過分相試驗時，IGBT兩端高電壓的情況如圖7所示。通過對監測數據分析可知，IGBT故障是在以下這種情況下出現的：當輸出電容C311和C312有電壓，L302中存在能量時（見圖6），如果充電機突然斷電（過分相），L302會通過二極管續流。由于變壓器存在漏抗，變壓器原邊電流建立需要時間，一旦原邊電流沒有完全建立，而占空比又消失了，這樣，變壓器的能量就全部蓄積到原邊，在下一次建立電流（過分相區后重啟）的時候，會給IGBT一個很高的電壓，從而造成IGBT故障。

圖6 主電路中的二極管D301與D302

圖7 IGBT瞬間高電壓波形（過分相試驗）

在充電機電路中，二極管D301與D302本來的設計意圖是起到防反接的作用。但在實際應用中，當充電機突然斷電重啟時，由于D301與D302的阻礙，原邊變壓器先前儲蓄的電能無法泄放到電阻R303、R304，瞬間高電壓致使IGBT擊穿。

3.3 解決方案

根據故障分析原因分析及充電機工作原理，為了盡量避免類似問題再次出現，有以下幾種解決方案：

1）將電路中二極管D301短接、二極管D302短接。具體內容為：D301:1短接D301:2；D301:3短接D301:4；D302:1短接D302:2；D302:3短接D302:4。D301、D302電路及實物外形如圖8所示。這樣在實際應用中，用戶誤操作或過分相充電機突然斷電重啟時，即使直接封鎖脈沖或變壓器原邊電流沒有建立完成，但由于二極管D301和D302已經分別被短接，電能可以泄流到電阻R303、R304，不至于導致高電壓擊穿IGBT-Q302。此方案弊端為主電路無防反功能。

圖8 D301、D302電路及實物外形

2）將電路中二極管D301、D302從原位置改換到支撐電容C301、C302的前端，這樣既不影響原邊變壓器泄放電能，也使主電路兼備防反功能。該方案的弊端為已生產的產品需要改變主電路結構，難度較大，涉及到的問題較多。但后續新造產品，可以考慮采取此方案。

3）在IGBT-Q302的上管、下管分別并聯一個吸收電容，這樣即使出現瞬間電壓較高的情況，由于吸收裝置的保護，也能減小IGBT燒損的概率。從本次批量故障可以看出，IGBT-Q302的上管、下管未并聯一個吸收電容，故大部分IGBT故障發生在IGBT-Q302；IGBT-Q301的上管、下管已并聯了吸收電容，故IGBT-Q301燒損故障較少。該方案的弊端為并聯的吸收電容對IGBT會有一定的保護作用，但IGBT還是會有一定的燒損概率。

4）在程序中設置一個最小占空比，這樣如果充電機突然斷電重啟時（過分相），在原邊電流沒有建立完成的時候有一個最小占空比，保證原邊電流建立，并能夠把能量傳輸到副邊來解決，不至于過分相時IGBT的兩端瞬間電壓過高而擊穿IGBT。

根據現場的實際情況，采取以上第1條和第4條結合的方案，將能從根本上解決此類IGBT故障。同時，需要用戶按規范操作，在斷充電機時，一定要先斷DC600 V主電路，再斷DC110 V控制電路[5]。這既是遵守安全操作規范的體現，同時也能延長產品的使用壽命。

4 結語

本文介紹的充電機IGBT（07）故障是新產品在主機廠調試過程中出現的重大慣性故障，通過深入的技術分析，確定了故障原因并提出解決方案，有效解決了該故障。

根據本次批量故障處理總結出的經驗，為避免類似事件重現，提出以下3點建議：1）在25G產品用戶手冊中要特別強調注意事項，提醒用戶按規范進行操作：在斷充電機時，一定要先斷DC600 V主電路，再斷DC110 V控制電路。2）技術人員在設計電路時要考慮到用戶操作失誤等不可控因素，盡量減少因用戶操作失誤而導致產品的損壞。3）新造產品在出廠前應通過完善的試驗準則進行驗證，以保證產品各項功能的的穩定性。在試驗過程中應考慮到產品在運行中出現的特殊或極端情況，并通過模擬試驗的方式進行不斷地測試和改進[6]。