地鐵車輛輔助系統(tǒng)充電機(jī)驅(qū)動(dòng)板直通故障復(fù)位機(jī)制研究

包 虹

(蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司，215004，蘇州∥助理工程師)

蘇州軌道交通4號(hào)線自開通運(yùn)營(yíng)以來，已發(fā)生多起列車輔助系統(tǒng)充電機(jī)模塊輸出過流故障，對(duì)車輛DC 110 V負(fù)載造成沖擊，也對(duì)正線正常運(yùn)行造成了較大影響。

鑒于4號(hào)線車輛輔助系統(tǒng)已完成設(shè)計(jì)并投入使用多年，而且控制電路設(shè)計(jì)更改及元器件選型變更難度較大，因此本文針對(duì)出現(xiàn)的充電機(jī)模塊輸出過流問題，主要從降低故障影響和避免類似故障再次發(fā)生的角度尋求解決措施，并要求供應(yīng)商在后續(xù)項(xiàng)目中優(yōu)化其設(shè)計(jì)，以從根本上解決該問題。

1 充電機(jī)驅(qū)動(dòng)板直通故障原因分析及解決對(duì)策

1.1 充電機(jī)模塊控制回路

蘇州軌道交通4號(hào)線車輛輔助系統(tǒng)充電機(jī)模塊從輔逆系統(tǒng)的四相逆變器的第四相處受電，通過Buck斬波電路(降壓電路)降壓整流后得到DC 110 V電，向整車低壓負(fù)載及蓄電池供電。Buck電路利用功率開關(guān)IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)控制電路的工作狀態(tài)。充電機(jī)模塊控制回路包括Buck電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路。控制器產(chǎn)生Buck電路所需的控制信號(hào)并發(fā)送至驅(qū)動(dòng)板，再由驅(qū)動(dòng)板轉(zhuǎn)換成開通或關(guān)斷IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而控制Buck電路工作[1]。4號(hào)線車輛輔助系統(tǒng)充電機(jī)模塊控制回路如圖1所示。

圖1 地鐵車輛輔助系統(tǒng)充電機(jī)控制邏輯Fig.1 Control logic of metro vehicle auxiliary system charger

1.2 充電機(jī)驅(qū)動(dòng)板直通故障原因

通過排查確定充電機(jī)輸出過流故障原因?yàn)?充電機(jī)模塊IGBT驅(qū)動(dòng)板卡在工作時(shí)易受EMC(電磁兼容性)干擾導(dǎo)致輸入的PWM(脈寬調(diào)制)信號(hào)無法關(guān)斷，副邊門極輸出電平常高，導(dǎo)致IGBT橋臂長(zhǎng)通，引起充電機(jī)輸入輸出電壓接近相等；由于線路阻抗很小，導(dǎo)致充電機(jī)模塊輸出電流過大，進(jìn)而影響母線電壓，對(duì)其他掛載設(shè)備造成沖擊。4號(hào)線車輛輔助系統(tǒng)充電機(jī)電路如圖2所示。

圖2 地鐵車輛輔助系統(tǒng)充電機(jī)電路圖Fig.2 Diagram of metro vehicle auxiliary system charger circuit

1.3 解決對(duì)策

該故障發(fā)生率較高，且極易造成IGBT驅(qū)動(dòng)板燒毀，進(jìn)而對(duì)運(yùn)營(yíng)安全造成影響。又因干擾源排查周期較長(zhǎng)，無法短期內(nèi)解決此問題。為盡快解決IGBT驅(qū)動(dòng)板在受干擾后輸出常高的問題，在現(xiàn)場(chǎng)可供選擇的解決方案有限的情況下，經(jīng)對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)板工作原理進(jìn)行分析，并根據(jù)充電機(jī)模塊的控制方式，廠家提出升級(jí)列車輔助系統(tǒng)控制軟件。該解決對(duì)策的基本方法是：在充電機(jī)工作前及工作中發(fā)生直通時(shí)，給充電機(jī)驅(qū)動(dòng)板輸入端發(fā)送幾個(gè)10 μs的窄脈沖，以此方式來解除充電機(jī)直通狀態(tài)。新版車輛輔助系統(tǒng)控制軟件關(guān)于充電機(jī)IGBT驅(qū)動(dòng)板直通故障的復(fù)位邏輯如表1所示。

表1 新版列車輔助系統(tǒng)控制軟件應(yīng)對(duì)充電機(jī)IGBT驅(qū)動(dòng)板直通故障復(fù)位機(jī)制

2 充電機(jī)驅(qū)動(dòng)板直通故障復(fù)位機(jī)制分析及其可靠性測(cè)試

2.1 分析評(píng)估充電機(jī)驅(qū)動(dòng)板直通故障復(fù)位機(jī)制

為驗(yàn)證新版列車輔助系統(tǒng)控制軟件復(fù)位機(jī)制的可行性，結(jié)合IGBT的工作特性及4號(hào)線列車輔助系統(tǒng)充電機(jī)電路，對(duì)該復(fù)位機(jī)制進(jìn)行分析評(píng)估。

1) 由圖2可知，充電機(jī)的輸入電壓從前級(jí)逆變器的第四相處獲得，輸出電壓接車輛DC 110 V負(fù)載及蓄電池，所以在以上3種不同工況下(即表1中的3種類型)，充電機(jī)IGBT電感兩端的壓差不同(平臺(tái)電壓)，IGBT電流較大，可能有過流風(fēng)險(xiǎn)。

2) 由于線路和器件內(nèi)部分布有雜散電感，IGBT在關(guān)斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生電壓尖峰。電壓尖峰的大小由關(guān)斷時(shí)電流的變化率和雜散電感的大小共同決定[2]。短時(shí)間內(nèi)向驅(qū)動(dòng)板發(fā)送3～6個(gè)窄脈沖，意味著短時(shí)間內(nèi)多次對(duì)IGBT進(jìn)行開通和關(guān)斷，可能引起較大的電流變化率，增大電壓尖峰。若在較惡劣條件下，平臺(tái)電壓疊加關(guān)斷電壓尖峰，產(chǎn)生加大的電壓應(yīng)力，會(huì)給IGBT帶來過壓風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 驗(yàn)證充電機(jī)驅(qū)動(dòng)板直通故障復(fù)位機(jī)制的可靠性

1) 試驗(yàn)1：故障復(fù)位機(jī)制測(cè)試。對(duì)燒錄了新版列車輔助系統(tǒng)控制軟件的輔助箱反復(fù)上電測(cè)試，模擬不同的工況，并抓取窄脈沖發(fā)出時(shí)刻IGBT的輸入輸出電壓和電流等相關(guān)數(shù)據(jù)。4號(hào)線列車輔助系統(tǒng)充電機(jī)模塊IGBT的額定工作電壓為600 V，額定工作電流為300 A。相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。由表2可知，在不同工況下，窄脈沖可解除充電機(jī)驅(qū)動(dòng)板直通問題，但類型1及類型3窄脈沖施加后，IGBT可能會(huì)有過壓風(fēng)險(xiǎn)，但無過流風(fēng)險(xiǎn)。

表2 新版列車輔助系統(tǒng)控制軟件充電機(jī)驅(qū)動(dòng)板直通故障復(fù)位機(jī)制測(cè)試結(jié)果

2) 試驗(yàn)2：窄脈沖個(gè)數(shù)測(cè)試。在試驗(yàn)1的測(cè)試過程中，發(fā)現(xiàn)IGBT電感電流IL和集-射電壓Vce變化較大，數(shù)值不穩(wěn)定。這可能與窄脈沖個(gè)數(shù)有關(guān)。為進(jìn)一步確認(rèn)窄脈沖數(shù)量與IGBT電感電流及電壓應(yīng)力的關(guān)聯(lián)性，對(duì)充電機(jī)的啟動(dòng)特性及故障重啟復(fù)位特性進(jìn)行測(cè)試，重點(diǎn)關(guān)注窄脈沖個(gè)數(shù)的影響。通過對(duì)充電機(jī)啟動(dòng)特性、故障重啟復(fù)位特性的測(cè)試，并對(duì)重啟復(fù)位過程中IGBT的電壓及電流進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)：窄脈沖個(gè)數(shù)越多，復(fù)位時(shí)IL就越大；當(dāng)窄脈沖個(gè)數(shù)達(dá)到5個(gè)時(shí)，Vce已超過IGBT額定工作電壓(Vce過壓后，易導(dǎo)致內(nèi)部失效)。因此推測(cè)：當(dāng)窄脈沖個(gè)數(shù)達(dá)到6個(gè)時(shí)，電感很可能進(jìn)入磁飽和狀態(tài)，電感電流將急劇增加，產(chǎn)生較大的電流的變化率，造成IGBT過壓失效。

3) 試驗(yàn)3：IGBT驅(qū)動(dòng)板故障分析。在試驗(yàn)2的基礎(chǔ)上，挑取1臺(tái)輔助逆變器，反復(fù)觸發(fā)充電機(jī)過流保護(hù)及復(fù)位解鎖邏輯，直至充電機(jī)模塊驅(qū)動(dòng)故障鎖死無法啟動(dòng)。開箱檢查發(fā)現(xiàn)，充電機(jī)IGBT驅(qū)動(dòng)板被燒蝕，且IGBT已失效。查看故障數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，IGBT失效時(shí)刻正處于充電機(jī)輸出軟件過流故障第5 s復(fù)位時(shí)。對(duì)燒蝕的充電機(jī)驅(qū)動(dòng)板進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)，其失效模式均為驅(qū)動(dòng)板副邊15 V電源回路及驅(qū)動(dòng)電阻大面積燒毀。使用萬用表測(cè)量發(fā)現(xiàn)，IGBT的Cge(門-射電容)均為0，而正常情況下IGBT的Cge為42 nF左右。對(duì)失效的充電機(jī)模塊進(jìn)行開蓋檢測(cè)，并對(duì)IGBT的狀態(tài)進(jìn)行觀察，通過失效圖案形態(tài)，可判斷出IGBT失效模式為過電壓應(yīng)力失效，主要失效位置在綁線底部，且柵極存在過壓痕跡。驅(qū)動(dòng)板失效機(jī)理為：IGBT 發(fā)射極E與門極G短路后，高壓串入門極，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)板副邊驅(qū)動(dòng)電路過壓，進(jìn)而過流燒蝕。IGBT失效模式與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，可確定失效原因由新版列車輔助系統(tǒng)控制軟件所導(dǎo)致。

通過上述試驗(yàn)可知，新版列車輔助系統(tǒng)控制軟件在特定工況下(第四相啟動(dòng)后，充電機(jī)緩啟前以及充電機(jī)發(fā)生輸出過流故障后5 s復(fù)位時(shí))發(fā)出5～6 個(gè)窄脈沖時(shí)，IGBT在較大電流下關(guān)斷，電壓峰值超過額定電壓值，可能有過壓失效的風(fēng)險(xiǎn)。

3 解決方案

為消除列車輔助系統(tǒng)控制軟件中存在的過壓風(fēng)險(xiǎn)，可通過以下2種措施進(jìn)行緩解：

1) 減少各工況下的窄脈沖個(gè)數(shù)。在前期試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，1個(gè)解鎖復(fù)位窄脈沖即可有效解除驅(qū)動(dòng)板直通問題。由于4號(hào)線充電機(jī)Buck 電路IGBT的開關(guān)頻率為20 kHz，車輛輔助系統(tǒng)控制單元對(duì)Buck電路的開關(guān)控制頻率為4 kHz，所以在單個(gè)控制周期內(nèi)IGBT的開關(guān)周期為5個(gè)周期。考慮到IGBT的開關(guān)與電路開關(guān)控制周期重疊，最嚴(yán)苛情況下會(huì)發(fā)出6個(gè)脈沖。因窄脈沖個(gè)數(shù)無法固定，所以暫不考慮此措施。

2) 取消發(fā)送2種存在過壓風(fēng)險(xiǎn)的窄脈沖。取消類型1的窄脈沖，無法改善充電機(jī)在工作前驅(qū)動(dòng)板發(fā)生直通的情況；取消類型3的窄脈沖則無影響(由于EMC干擾發(fā)生直通后，延遲5 ms會(huì)發(fā)解鎖脈沖，可有效使充電機(jī)恢復(fù)正常)。故考慮增加“充電機(jī)前級(jí)第四象限工作前，對(duì)驅(qū)動(dòng)板復(fù)位并發(fā)送窄脈沖解除直通”的機(jī)制(亦可實(shí)現(xiàn)類型1窄脈沖的功能，在本文中定義為類型4窄脈沖)，取消原類型1及類型3的窄脈沖。優(yōu)化后列車輔助系統(tǒng)控制軟件邏輯如表3所示。

表3 新版列車輔助系統(tǒng)控制軟件應(yīng)對(duì)充電機(jī)IGBT驅(qū)動(dòng)板直通故障優(yōu)化前后復(fù)位機(jī)制

為確保優(yōu)化后的復(fù)位機(jī)制有效可靠，需對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。在充電機(jī)前級(jí)第四象限工作前的工況下，諧振和降壓電路暫未工作，降壓電路輸入電壓最高值為上次正常工作電壓200 V；且輸入輸出電容都并聯(lián)有自己的放電電阻，故輸出電壓最低值大于0，此時(shí)電感兩端壓差小于200 V。實(shí)際測(cè)試中,IGBT電流小于100 A，無應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)。驗(yàn)證結(jié)果表明，新版列車輔助系統(tǒng)控制軟件控制邏輯可有效避免IGBT過電壓應(yīng)力，有效解鎖充電機(jī)直通過流現(xiàn)象，且復(fù)位解鎖過程充電機(jī)電感電流不超過100 A，能夠保證充電機(jī)的正常使用。

4 結(jié)語

蘇州軌道交通4號(hào)線車輛輔助逆變器已于2021年4月份全部更新為新版列車輔助系統(tǒng)控制軟件。跟蹤至2021年12月，未再發(fā)生充電機(jī)驅(qū)動(dòng)板直通故障，輔助逆變器運(yùn)行狀態(tài)良好。但需明確的是，通過此方式使驅(qū)動(dòng)板復(fù)位、避免過流情況發(fā)生非長(zhǎng)久之計(jì)，僅在現(xiàn)場(chǎng)用車條件緊張、干擾源排查無實(shí)質(zhì)性進(jìn)展的情況下，可采用此方式作為臨時(shí)措施，在一定程度上緩解用車壓力。要從根本上解決此問題，還需聯(lián)合供應(yīng)商對(duì)電路原理設(shè)計(jì)及元器件選型、驅(qū)動(dòng)方式、線路屏蔽等方面重新進(jìn)行優(yōu)化。目前，蘇州軌道交通5號(hào)線及后續(xù)線路的車輛輔助逆變器充電機(jī)模塊不再采用與4號(hào)線同類型的驅(qū)動(dòng)板，可從根本上有效避免上述故障的發(fā)生。5號(hào)線已于2021年6月開通運(yùn)營(yíng)，運(yùn)營(yíng)半年以來，未發(fā)生車輛輔助系統(tǒng)充電機(jī)驅(qū)動(dòng)板直通故障。此外，鑒于廠家提供的初版軟件存在漏洞情況，筆者建議在進(jìn)行軟件升級(jí)或者變更前，應(yīng)充分進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證以保證能夠全面覆蓋裝車應(yīng)用的各種惡劣條件。