地鐵列車輔助逆變器I GBT失效原因分析及應對

陳帝水 羅玉德

（東莞市軌道交通有限公司運營分公司，廣東 東莞 523000）

0 引言

東莞市軌道交通2號線采用120 km/h速度等級6節編組B型車，全車設置4臺輔助逆變器，實行中壓并網供電。輔助逆變器通過受流裝置獲取DC1 500 V高壓后轉換成AC380 V交流電輸出，供車輛三相負載使用。同時，蓄電池充電機將輔助逆變器輸出的AC380 V轉換成DC110 V，供車輛直流負載使用。一旦輔助逆變器故障停止工作，除牽引系統外的其他系統皆無法正常運轉，列車只能清客下線，嚴重時甚至會引發救援。

IGBT是軌道交通車輛輔助逆變器的核心器件，屬于運行工況復雜的大功率電能變換裝置[1]，經常工作在高壓、大電流條件下[2-3]，如果不能及時檢測出故障并進行保護，極易造成永久性損壞。

2021年以來，2號線列車正線發生多起IGBT失效導致輔助逆變器故障事件，嚴重影響了正線運營服務質量，因此必須對輔助逆變器IGBT失效原因進行調查并予以解決。

1 輔助逆變器工作原理分析

東莞軌道交通2號線列車輔助逆變器采用模塊化設計，由電流傳感器（U12和U13）、電壓傳感器（A40-U11）、直流環節電容器、放電電阻、過壓保護裝置、IGBT逆變單元構成，電氣拓撲圖如圖1所示。輔助逆變器工作原理為列車控制系統發送啟動命令到輔助逆變器控制單元，控制單元通過控制分離接觸器和充電接觸器分合，對直流環節電容器進行緩慢充電，當直流環節電容器電壓達到規定電壓值，輔助逆變器開始工作，通過門極驅動單元GDU控制逆變單元中的IGBT器件開通和關斷，將DC1 500 V直流電轉化為三相交流電輸出，供給負載。

圖1 輔助逆變器拓撲圖

為了確保IGBT散熱效果良好，IGBT器件被安裝在金屬材質的散熱器上。由于IGBT和散熱器這兩個剛性物體接觸面凹凸不平、存在空隙，空氣充斥其中，而空氣導熱性能很差，因此需在IGBT和散熱器接觸面間均勻填充一層薄薄的導熱硅脂，從而改善接觸面間熱流傳遞，提高散熱效率。

2 IGBT器件失效分析

2.1 IGBT失效數據統計

東莞軌道交通2號線2016年開通運營，前期輔助逆變器運行狀態良好，2021年開始，輔助逆變器IGBT器件失效率偏高。根據故障數據統計，發生輔助逆變器IGBT失效的列車號分布較為分散，且在不同車輛上均有發生；按月統計，IGBT器件失效各月均有分布，7月—9月相對較多，輔助逆變器IGBT部分失效數據如表1所示。根據東莞氣象局統計數據，7月—9月是東莞地區氣候溫度最為炎熱的時候，也是空調工作載荷最高時期，初步判斷輔助逆變器IGBT失效故障與工作溫度及散熱存在一定關系。

表1 東莞地鐵2號線列車輔助逆變器IGBT失效統計（部分數據）

2.2 IGBT失效原因排查

IGBT失效機理較為復雜，在實際應用中引發IGBT失效的原因有IGBT裝配質量差、IGBT器件散熱不良、IGBT器件老化、外部負載啟停沖擊、器件選型不當、靜電損壞等。2號線列車輔助逆變器IGBT器件選用國際知名品牌產品，在軌道交通行業中應用廣泛，其在國內其他項目應用未反饋故障率高。結合IGBT故障數據統計及失效情況，確定了4個排查方向。

2.2.1 IGBT器件裝配質量

首先排查輔助逆變器日常維護過程中IGBT裝配質量和工藝可能造成IGBT失效的因素，包括靜電釋放、安裝力矩偏差、螺栓緊固工序、導熱硅脂厚度超差等。排查確認檢修人員在維護設備時均有佩戴靜電手環，確保IGBT不受人為操作造成的靜電釋放影響；IGBT安裝工藝規范，螺栓順序正確，緊固力矩滿足工藝要求；硅脂均采用導熱硅脂覆涂機進行涂刷，涂刷厚度滿足要求，以上排除了IGBT器件裝配質量差導致失效的原因。

2.2.2 IGBT器件散熱不良

抽取20列車輔助逆變器拆解檢查，發現IGBT與散熱器之間的導熱硅脂存在干結、硬化現象，散熱器表面有硅油析出流淌痕跡，具體如圖2、圖3所示。

圖3 IGBT導熱硅脂硅油析出

對硅脂干結原因分析如下：當前輔助逆變器使用的導熱硅脂含硅油成分，根據硅脂特性，散熱器溫度升高，導熱硅脂流體體積膨脹，分子間距離拉遠，相互作用減弱，黏度下降，硅脂處于半液態。而輔助逆變器IGBT器件在車輛上是垂直布置，在重力作用下，硅脂會往IGBT器件朝下一側聚集，造成硅脂分布不均，IGBT器件與散熱器之間形成部分空腔。空腔中填充的是空氣，而空氣的熱導率僅為0.025W/（m·K），要比硅脂熱導率3.3 W/（m·K）差很多，因此整個IGBT器件散熱不均勻，部分區域溫度過高。硅脂中的硅油在高溫條件下析出流失，硅脂變干結，進一步降低了IGBT器件散熱效率，從而加速了IGBT模塊失效。

2.2.3 IGBT器件老化

為進一步查清IGBT器件失效原因，參照《半導體器件分立器件第9部分：絕緣柵雙極晶體管（IGBT）》（GB/T 29332—2012）中IGBT檢測參數種類及方法，并結合IGBT廠家提供的產品文件，制定了輔助逆變器IGBT器件性能測試參數標準，如表2所示。程對輔助逆變器無嚴重沖擊，不是造成輔助逆變器IGBT失效的原因。

表2 輔助逆變器IGBT測試標準

按表2制定的測試項目及標準，使用專業儀器隨機抽取3個輔助逆變器共18個IGBT器件進行測試。測試結果表明，部分輔助逆變器模塊的IGBT器件出現了不程度的老化，主要表現在IGBT器件耐壓值（Vces/Vrrm）、IGBT器件集電極-發射極截止電流（Ices/Ir）不達標，具體測試情況如圖4、圖5及表3所示，這也是導致2號線列車輔助逆變器IGBT失效率偏高的重要原因。

表3 輔助逆變器IGBT器件耐壓值Vces測試結果（部分測試數據）

圖4 IGBT器件測試正常曲線

圖5 IGBT器件耐壓值Vces測試異常曲線

2.2.4 外部負載啟停沖擊

為排除列車負載（如空調、車門等）工作不穩定等外部因素造成輔助逆變器IGBT失效的可能，組織第三方專業機構對車輛輔助逆變器前、中、后端負載進行電流/電壓參數測量，確認AC380 V、DC110 V負載啟停過

3 應對措施

根據以上分析，IGBT器件失效率偏高的原因是輔助逆變器硅脂干結及IGBT器件老化、性能下降，為此采取如下針對性措施進行改善：

（1）重新涂刷20列車輔助逆變器導熱硅脂，改善硅脂干結帶來的IGBT器件散熱不良影響。

（2）針對目前使用的硅脂存在受熱硅油析出導致干結問題，重新對硅脂進行選型，換型為不含硅油成分且熱效率性能更優越的TC5628新型硅脂。TC5628型硅脂已于2021年6月裝車試驗，效果良好。

（3）使用專業的測試儀器對20列車輔助逆變器IGBT器件進行性能測試，將性能不合格的IGBT篩查出來，進行更換。

4 結語

2022年2月完成整治以來，東莞軌道交通2號線列車未再發生一起因IGBT器件失效導致的輔助逆變器故障，設備故障率上升的趨勢得到了有效控制，有力保障了運營的安全。