吳 浩
(上海軌道交通維護保障中心 車輛公司,上海200233)
目前國內(nèi)地鐵列車牽引逆變器主要采用IGBT構(gòu)成的VVVF逆變器。在日常運營維護中,IGBT損壞是逆變器故障的主要原因。常規(guī)的檢測一般包括各極間的阻抗值測量、絕緣耐壓試驗等。然而以上這些常規(guī)方法,對于一部分低壓特性良好,而內(nèi)部有功能損壞的IGBT卻無能為力,即使采用一般的通電檢測也收效甚微,導(dǎo)致逆變器維修質(zhì)量不穩(wěn)定,返修率上升,不僅增加了維護工作量,而且還導(dǎo)致不必要的成本浪費,本文正是針對這一難以判斷的故障,設(shè)計、試驗解決這一問題。
目前地鐵列車的接觸網(wǎng)制式有1 500 V和750 V兩種,以上海地鐵的1 500 V接觸網(wǎng)制式為例,列車VVVF牽引逆變器所使用的IGBT的技術(shù)參數(shù)均為3 300 V/1 200 A,生產(chǎn)商有三菱、日立、ABB、英飛凌等。
當今高功率IGBT模塊中的IGBT元胞通常多采用溝槽柵結(jié)構(gòu),消除了平面柵結(jié)構(gòu)器件中存在的相鄰元胞之間形成的結(jié)型場效應(yīng)晶體管效應(yīng),同時引入了一定的電子注入效應(yīng),使得導(dǎo)通電阻下降,為增加長基區(qū)厚度、提高器件耐壓創(chuàng)造了條件。圖1所示為用于上海地鐵3號線列車牽引逆變器的IGBT。
圖1 IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理
從原理上,IGBT可以認為由3個內(nèi)結(jié)構(gòu)完全相同的單元構(gòu)成(見圖1)。正常情況下,IGBT的工作電流由這3個單元電流組成,本文稱之為支路電流。理論上,當列車牽引逆變器正常運行時,每個IGBT內(nèi)部支路的穩(wěn)態(tài)電流在數(shù)值上相等;而暫態(tài)情況下,盡管受到線路中雜散電感或結(jié)電容的影響,但動態(tài)電流的差別也應(yīng)不大。根據(jù)這一推測,這里設(shè)計如下動態(tài)電流試驗。
為了盡可能地減弱IGBT個體差異給試驗結(jié)果帶來的影響,被測試的IGBT應(yīng)同品牌、同型號且盡量同批次。試驗電路按照如圖2所示的半橋逆變電路連接,其中IGBT-2為被測功率管,IGBT-1為輔助功率管,起續(xù)流作用。主電路以一定標準值的電感作為負載,以便觀察波形。
圖2 支路動態(tài)平衡試驗原理和試驗
本次試驗以Eupec(Infineon)生產(chǎn)的3 300 V/1 200 A的IGBT作為試驗對象。試驗共用3只同一批次的功率管,其中2只為已用件,作為被測對象;另1只為新件,作為續(xù)流使用。試驗采用雙脈沖法,續(xù)流管保持不變,被測管輪換。
單次試驗步驟如下:①初始過程:選取適當?shù)呢撦d電感,閉合開關(guān)S1,電容器充電,充電結(jié)束后S1斷開;②第1次脈沖(建立iL):施加正向脈沖使IGBT-2導(dǎo)通,電容向負載電感放電,iL建立,施加反向脈沖使IGBT-2關(guān)斷;③第2次脈沖:再次施加正向脈沖使IGBT-2導(dǎo)通,由于時間極短,這時可認為iL不變,IGBT-2與電感構(gòu)成回路,用環(huán)形電流表與可存儲式示波器記錄此時的開通過程,關(guān)斷IGBT-2,電感負載通過二極管續(xù)流至零,單次試驗結(jié)束;④調(diào)換被測功率管,重復(fù)試驗。雙脈沖試驗的持續(xù)時間約200μs。圖3為被測2只IGBT在雙脈沖試驗中,第2次脈沖開通過程的參數(shù)波形,記錄長度為5μs。
圖3 支路動態(tài)試驗中被測IGBT開通特性
從兩個器件的試驗結(jié)果中各抽取兩條支路的電流,分別從穩(wěn)態(tài)和峰值兩個方面來對比(見表1),可知:①從峰值來看,疑似損壞件的支路電流峰值偏離高達15%左右,而全新器件只有不到7%;②從穩(wěn)態(tài)值來看,疑似損壞件的支路電流峰值偏離超過6%,全新器件則基本無偏離。經(jīng)多次重復(fù)試驗發(fā)現(xiàn),該結(jié)果數(shù)值具有一致性,由此可斷定疑似損壞件為功能受損件,臨修時應(yīng)予以更換。
經(jīng)比對維修記錄,該受損IGBT所在的逆變模塊,臨修多次均未查出故障,但裝車試驗無法通過,返修多次。
表1 支路電流動態(tài)試驗結(jié)果對比分析(IGBT開通) A
表中:
Δp=|I1p-I2p|,表示支路電流峰值偏離;
Δs=|I1s-I2s|,表示支路電流穩(wěn)態(tài)值偏離;
δp= (IΔp/Inorm)100%,表示支路電流峰值偏離指數(shù);
δs= (IΔs/Inorm)100%,表示電流穩(wěn)態(tài)值偏離指數(shù);
Inorm為該型號IGBT的額定值,這里取Inorm=400 A。
支路單元損壞是導(dǎo)致IGBT最終損壞的一個主要原因,現(xiàn)場臨修時不易檢測。文中給出的IGBT支路單元動態(tài)試驗方法,提出了判斷這一故障的方法。具體操作方法和判斷依據(jù),可通過部件臨修時,更換下的IGBT進行試驗和數(shù)據(jù)積累,還可結(jié)合實際列車故障情況,進一步探索功率器件損壞規(guī)律。該方法簡單實用,不僅可用于列車大功率逆變器日常檢修,對該部件的大修也有重要的參考價值。
[1]范 欣,王艷鑠.SPWM全橋逆變器參數(shù)在線辨識研究[J].電子元器件應(yīng)用,2008,10(7):78-80.
[2]孫 靖.CRH2型動車組牽引變流器的故障處理[J].鐵道機車車輛,2009,29(6):64-66.
[3]陳 堅.電力電子學(xué)(第二版)[M].北京:高等教育出版社,2004.
[4]李小波,吳 浩,翁曉韜,等.地鐵列車可關(guān)斷晶閘管牽引變流器綜合測試技術(shù)研究[J].城市軌道交通研究,2010,13(9):17-21.