基于任務剖面的高速列車牽引變流器IGBT壽命評估*

唐 輝，王為介，柴育恒，徐小明，葛興來

（1中國鐵路廣州局集團有限公司 廣州動車段，廣州 511483；2北京縱橫機電科技有限公司，北京 100094；3西南交通大學 電氣工程學院，成都 610031）

牽引變流器作為高速列車的核心單元，是列車運行的動力來源，其工作狀態關乎列車能否安全運行［1］。但牽引變流器裝設于列車底部，由于惡劣的運行環境和頻繁的工況變化，其關鍵組成部件IGBT模塊的性能（Insulated Gate Bipolar Transistor Module）會隨著時間的推移逐漸劣化，危及列車的安全運行。同時相關的工業調查表明，IGBT模塊是變流器中故障率最高的器件之一［2］。因此，對牽引變流器中的IGBT功率模塊進行壽命預評估具有重要的研究意義，不僅可以有效保證列車的安全運營，還可以為列車的維修提供參考。

針對IGBT壽命的評估，目前的研究主要是基于可靠性分析手冊MILHDBK-217，即利用數理統計進行壽命分析［3-4］，文獻［3］將故障率視為恒定值，利用指數分布進行壽命評估；而文獻［4］則通過其他分布函數，例如三參數威布爾分布、正態分布等進行壽命分析。上述方法雖然易于實現，但未對故障機制進行準確建模，也未考慮故障物理現象，單純的數據分析得到結論置信度較低。同時功率器件在實際運行中會發生不同程度的磨損（老化），且磨損程度與運行工況密切相關，因此基于任務剖面的壽命評估置信度較高，并且已成為可靠性分析的主流［5-6］。

文中通過對廣州南—長沙南線路的某車型動車組加裝傳感器，記錄列車運行數據，利用變流器數學模型與電熱聯合仿真計算出IGBT的結溫數據，接著采用雨流計數法進行熱載荷分析，最后結合壽命評估模型對牽引變流器的IGBT模塊進行壽命評估。

1 牽引變流器結構

動車組牽引變流器主要由3部分組成［1］，如圖1所示，分別為四象限整流器（4QC）、中間直流環節和牽引逆變器。其中牽引逆變器的輸出端連接到4個牽引電機，將電能轉換為機械能為列車提供運行動力。

圖1 牽引變流器拓撲示意圖

當列車處于牽引工況時，能量從網側整流器流向牽引逆變器，當列車處于制動工況時，能量則從電機回饋到牽引網。

2 基于任務剖面壽命評估

基于任務剖面的壽命評估流程如圖2所示，其主要分為數據處理、結溫計算和壽命評估3個部分，其中損耗計算和熱網絡模型是進行結溫計算的關鍵步驟，下面將進行詳細分析。計算出結溫信息后，利用雨流計數法對其進行統計，獲取結溫波動和平均結溫循環次數，同時代入到壽命評估模型中，結合Miner線性損傷定理，給出牽引變流器中IGBT模塊的壽命估計結果。

圖2 IGBT壽命評估流程

2.1 IGBT損耗計算

IGBT模塊的功率損耗是主要包括通態損耗和開關損耗。對于IGBT，開關損耗包括開通損耗和關斷損耗，二極管的開關損耗主要為反向恢復損耗。IGBT和二極管的通態損耗主要受導通電流和溫度影響，通常表示為［7］式（1）、式（2）：

式中：PconT和PconD分別表示IGBT和二極管的通態損耗；vce表示IGBT集電極和發射極間的電壓；ic指流過兩端的電流；vF和iF則分別表示二極管兩端的電壓和電流；vce0和vF0分別表示IGBT和二極管靜態特性曲線線性擬合之后和橫軸的交點；rce和rF則表示兩者擬合曲線的斜率，以上擬合值的大小與溫度相關；δ表示當前開關周期內IGBT導通的占空比；Ts是器件的開關周期。

IGBT和二極管的開關損耗則受導通電流、阻斷電壓、驅動電阻等影響，根據器件生產廠家的損耗計算經驗［7］，兩者的開關損耗通常表示為式（3）、式（4）：

式中：Eon和Eoff表示IGBT在額定條件下的開通和關斷能耗；Err是二極管在額定條件下的關斷損耗；Tj表示IGBT或二極管的結溫；VDC表示實際中的直流側電壓值；Ic、IF表示實際流經IGBT、二極管的電流值；KV為開關損耗的電壓依賴性指數；CT為開關損耗的溫度系數，二者均可通過試驗或數據手冊來計算；Iref、Vref和Tref分別代表參考電流，參考阻斷電壓和參考溫度；fsw代表開關頻率。

2.2 IGBT熱網絡模型

文中分析列車的牽引變流器中采用的IGBT模塊為FZ750R65KE3型，該模塊為焊封式，模型散熱為單面散熱，IGBT可看做是一個垂直導熱的模型，考慮模塊封裝的7層的IGBT垂直導熱結構如圖3所示，IGBT或二極管芯片產生的熱量向下傳遞，最終通過散熱器將熱量帶走。

圖3 IGBT垂直導熱結構

目前對于IGBT模塊的熱網絡描述主要采用集總參數模型，分別為Foster模型和Cauer模型2類，Cauer模型與實際模塊的分層結果相對應，但是模型參數計算需要IGBT模塊內部每層結構詳細的尺寸參數和材料特性，而這些信息在實際工程應用中通常難以獲取；Foster模型是對瞬態熱阻抗曲線的數據擬合，雖然不具有實際物理意義，但易于獲取且數據手冊提供了較為精確的四階熱網絡模型的參數，因此文中采用Foster模型進行結溫計算。考慮實際系統中導熱硅脂和散熱系統，牽引變流器的熱網絡可以等效為圖4所示，同時給出了IGBT熱網絡模型中具體參數值，見表1。

圖4 IGBT熱網絡模型

表1 IGBT熱網絡模型參數

圖4中PlossT和PlossD分別代表IGBT和反并聯二極管的功率損耗，R和C分別表示熱阻和熱容，Tc表示IGBT模塊的殼溫，牽引變流器采用水冷方式散熱，Ta表示水冷基板的冷卻液溫度。利用上一小節計算出的損耗結果，代入所建立的熱網絡仿真模型中，即可獲得IGBT的結溫曲線。

2.3 雨流計數及壽命評估

IGBT的結溫曲線可以看做是時間軸上不同幅值和均值的溫度曲線的疊加。根據Miner線性疲勞損傷理論，如果忽略不同應力對器件損傷的耦合作用，則IGBT的壽命可以看作是不同類型溫度循環下器件損傷度相加的倒數，為式（5）：

式中：D為一次工況下器件的總損傷度，它等于不同類型溫度循環下的損傷度之和；ni為當前溫度循環類型下的循環次數；Ni為當前溫度循環類型下可承受的失效次數。因此，為評估IGBT壽命，必須對IGBT的結溫曲線所包含的不同溫度循環載荷進行分類和計數。文中采用雨流計數法完成該部分工作［5］。

IGBT的壽命評估一般基于特定的壽命模型，物理模型和解析模型是目前最常見的壽命模型。其中物理模型是基于材料的物理失效機理所推導出的壽命模型，物理意義明顯但是模型的參數難以獲取。解析模型通常將器件的壽命考慮為受某些劣化因子的經驗表達式，其參數提取相對簡單，利用試驗數據對模型進行擬合即可獲得。

文中利用Norris-Landberg解析壽命模型對IGBT進行壽命評估，其模型的表達式為式（6）：

式中：Nf為循環次數壽命；f為循環的頻率；ΔTj為溫度波動的幅值；Tm為平均結溫；k為玻爾茲曼常數，值為1.38×10-23J/K；Ea為激活能（約9.89×10-20J）；A、a1、a2均為用試驗數據擬合的常數。

將雨流計數獲得的計數結果代入到壽命解析模型，根據Miner線性疲勞損傷理論，最終即可獲得IGBT壽命評估結果。

3 案例分析

文中選取廣州南動車段的某車型動車組為試驗車，通過在車載變流器中加裝電壓電流傳感器，獲取結溫計算所必須的牽引變流器變量，根據試驗列車的變流器拓撲、控制策略以及損耗計算公式，分別計算整流器和逆變器中IGBT損耗變量，然后代入如圖4所示的熱網絡模型中，即可獲取列車運行過程中的結溫，此次試驗列車的結溫剖面如圖5所示。

圖5 牽引變流器功率模塊的結溫剖面

利用雨流計數法對整流器和逆變器所獲取的結溫進行統計，可分別獲得運行過程中IGBT所承受的熱載荷分布如圖6所示。可以看出整流器中的IGBT結溫波動大多數波動范圍在5℃以內，且對于平均結溫，整流器多分布在55～75℃之間，逆變器多分布在60～80℃。

圖6 牽引變流器雨流計數結果

將獲取的雨流計算結果代入壽命模型中，可以得到本文所測試的線路列車牽引變流器的壽命評估結果，見表2。

表2 牽引變流器壽命評估結果

從壽命評估結果可以看出，整流器側IGBT模塊損傷度高于逆變器側，即整流器IGBT模塊的壽命要低于逆變器中的IGBT模塊。這是由于整流器側IGBT的應力比逆變器側IGBT更高。另外，需要說明的是，此處整流器側IGBT的壽命結果并非單指IGBT芯片的壽命。由于在整個運行線路中，列車多處于牽引工況（加速啟動和恒速運行），而該工況下單個基波周期內的IGBT模塊的電流波形如圖7所示。

圖7 牽引工況整流器功率模塊電流波形

從上圖可看出，雖然IGBT芯片和二極管的導通次數在一個基波周期內相當，但由于調制的原因，二極管在單個開關周期內的導通時間更長，導致二極管所承受的電熱應力更大，因此壽命更低。考慮到模塊的短板效應，此時整流器側IGBT模塊的壽命由二極管的壽命決定。

為驗證以上評估結果的合理性，可利用文獻［3］中對武廣線CRH3型動車3年運行期間牽引變流器中IGBT的平均故障率及壽命進行近似計算，其計算結果為：整流器側IGBT壽命為21.6年，逆變器側IGBT壽命為41.6年，這與文中通過對列車運行任務剖面分析所得的結果相符。

值得注意的是，文中所分析的列車為試驗車，列車熱載荷較小，壽命評估結果會高于實際值，因此要獲取更為精確的壽命值，需要獲取列車實際運行工況。同時可以看出，牽引變流器IGBT的結溫與運行工況息息相關，不同的熱載荷會造成不同的老化，進一步影響IGBT的壽命。因此，現有的維修策略需要進行一定優化，根據列車實際運行情況進行維修。

4 結論

文中給出了基于列車運行的任務剖面下牽引變流器的IGBT壽命評估的流程，同時利用實際獲取的運行數據對試驗列車的IGBT進行了壽命評估，獲取到較為合理的壽命值。除此之外，分析表明列車運行工況通過影響變流器中IGBT的結溫，進一步影響IGBT的壽命，而現有的固定維修策略可能造成過度修或者維修不足，因此需要根據列車運行工作制定更為適宜的維修策略。