動車組充電機IGBT故障優化方案

高志鵬

摘要：高效且能承受長的短路時間的IGBT的市場在不斷增長。現有的器件不能使器件設計者同時實現這兩個目標。本文推薦的電路通過限制故障電流的幅值，延長了高效IGBT的短路承受時間。限制故障電流幅值獲得的另一個好處是減小了關斷時的瞬態電壓，尤其對大電流模塊更是如此.此外很大程度上抵消了不利的米勒效應。當故障電流是瞬態窄脈沖時，能使電路恢復正常工作，對噪聲干擾嚴重的系統，本限流電路具有特別理想的特性。

關鍵詞：動車組;充電機;IGBT故障;優化

1.問題描述

動車組，發生多起充電機故障停機，報故障代碼4495（充電機故障）、4401（充電機IGBT故障），斷電復位后故障消除。

2.原因分析

2.1控制原理（機理）/機械安裝結構分析

充電機內部由PM1和PM2兩個充電單元并聯構成，分別對應司機顯示屏的1#充電機和2#充電機，充電單元有各自獨立的控制器進行邏輯控制和故障保護，PM1/PM2IGBT故障由PM1/PM2模塊控制器和驅動板檢測，驅動板對IGBT狀態及驅動電壓進行監控，當檢測到IGBT短路、過流或者欠壓時，反饋故障信號給控制器，控制器進行IGBT故障報警，隨后系統故障停機。

功率模塊PM1/PM2各擁有一套傳感器供電回路，由電源板上電源模塊產生，負責給傳感器提供穩定供電電源。當傳感器系統的供電產生（電源模塊）、供電傳輸或供電負載（傳感器）任一方出問題時，均可能導致傳感器系統功能失效，使得充電機主控板無法正常PWM控制，發生IGBT故障。

2.2現車調查分析情況

分析多起充電機故障數據。故障發生前模擬量采集異常，充電機無法采集到正常的電壓值和電流值，導致PWM控制脈寬變大，最終發生IGBT過流故障停機。

2.3地面調查分析情況

充電機傳感器供電回路失效，可能故障點為供電產生（電源模塊）、供電傳輸或供電負載（傳感器），從以上3個方面分別進行試驗，確定故障原因。

2.3.1供電產生（電源模塊）試驗

（1）驗證充電機電源模塊功率的試驗

電源模塊功率及電壓等級分別為：24V轉±15V，+15V/7.5W，-15V/7.5W。

記錄試驗數據，降低蓄電池電量，使得充電電流為最大95A，同時帶電阻負載20kW，保證充電機持續帶載30kW，此時傳感器供電電流最大，電源模塊（為傳感器供電）+15V的電流為360mA，功率5.4W;電源模塊（為傳感器供電）-15V的電流為140mA，功率2.1W，均小于額定功率7.5W。

（2）驗證電源模塊表面溫度的試驗

將溫度試紙貼在電源模塊表面，將充電機帶滿載60kW，持續運行4小時，記錄表面溫度。發現溫度均未達到70℃，滿足模塊工作要求。

通過以上試驗驗證，電源模塊輸出的電壓功率等電氣參數均正常，且滿載運行時電源模塊的溫度在正常范圍內，可排除電源板卡上電源模塊輸出±15異常的情況。

2.3.2供電傳輸試驗

地面現場，對傳感器供電線路進行如下試驗：

（1）檢查故障充電機的傳輸線路外觀，無破損、漏芯等現象。

（2）對傳輸線路進行導通測試，測試結果正常，無接線錯誤。

（3）現場進行傳輸線路絕緣試驗，試驗結果正常。

以上試驗結果說明，傳感器供電系統傳輸線路正常。

2.3.3供電負載（傳感器）試驗

觀察傳感器內部，隔離及電流放大電路部分器件有發黑現象，更換傳感器后重新上電故障消除。

電壓傳感器有兩個對外接口，接口X2為高壓信號接口，接口X1為低壓信號傳輸及供電接口。高壓側采集電壓信號經高壓處理電路及隔離放大電路后輸出電流信號IM，主控板采集電路將電流信號轉化為電壓信號，最終由控制器完成電壓采集。

傳感器內高壓處理電路的作用是將高功率高電壓等級的信號轉換為低功率低電壓等級的信號。通過多級運算放大器實現隔離。達林頓管D8/D9為電流放大組件，負責將微弱電壓信號放大為電流信號。如圖2.3-6所示，三極管工作在放大區，+15V給三極管提供能量，實現電流放大功能。輸出發射極電流Ie=gm*Vb，其中gm為互導增益。電壓轉換為電流信號，可增強信號的傳輸功率和抗干擾能力，保證主控板接收到穩定采集信號。采集正向電壓，D8一直處于導通狀態，由+15V為放大電路供電。D9受干擾誤導通時，D8/D9直通導致傳感器供電系統±15V短路，傳感器采集失效，控制器接收到異常數據，實際采集量與給定量差值變大，充電機閉環調節增大PMW控制脈寬，以期望減小采集量與給定量差值，最終發生IGBT過流故障。

綜上所述，通過對電源模塊、供電傳輸線路及傳感器內部供電分別進行試驗，發現傳感器內部供電回路受干擾失效是故障發生的根本原因。

2.4仿真分析

將傳感器內±15V供電回路外置引線，充電機正常運行后，將引線短接模擬傳感器失效工況，充電機報IGBT故障停機。觀察此時故障數據，電壓電流等模擬量丟失，與現場故障現象一致。驗證確為傳感器內供電回路異常導致故障發生，

2.5分析結論

通過上述故障數據分析及實際試驗驗證，可得到以下結論：充電機多次報IGBT故障為傳感器內部供電回路受干擾導致。干擾原因為整流二極管RC吸收電路異常，電阻R完全失效或部分失效。

3.優化方案

3.2優化方案

（1）更換充電機內8個電壓傳感器，優化傳感器內部設計，刪除傳感器內易受干擾的回路，形成新品電壓傳感器。

（2）更換RC吸收電路的電阻為耐沖擊型電阻。其機械封裝及安裝參數均保持不變，僅增強電阻的耐沖擊性能。

結語

本文在分析單元串聯多電平變頻器功率單元中IGBT 的運行狀態以及故障模式的基礎上，提出基于母線電壓控制的鏡像電流源檢測法，將檢測功率單元 U、V 端波形反饋至其控制芯片 CPLD，與驅動波形做實時比較，從而快速判斷出 IGBT 故障與否，以便對整個功率單元進行容錯控制，例如對多級串聯型變頻器來說，可對故障功率單元進行旁路，整機降額運行等，同時在人機界面報出故障單元。

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