HXD 3型電力機(jī)車主牽引變流器中IGBT的故障分析及技術(shù)措施

焉 穎

（濟(jì)南鐵路局 濟(jì)南西機(jī)務(wù)段，山東濟(jì)南250021）

IGBT是20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的一種新型電力電子器件，它把 MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起［1］，使它成為電力半導(dǎo)體器件的主流器件，尤其在變流領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。

1 IGBT在HXD 3型電力機(jī)車CI中的應(yīng)用

IGBT可視為雙極型大功率晶體管與功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的復(fù)合。通過(guò)施加正向門極電壓形成溝道、提供晶體管基極電流使IGBT導(dǎo)通，反之若提供反向門極電壓則可消除溝道、使IGBT因流過(guò)反向門極電流而關(guān)斷。比較而言，IGBT的開(kāi)關(guān)速度低于MOSFET，卻明顯高于GTR；IGBT的通態(tài)壓降同GTR相近，但比MOSFET低得多；IGBT的電流、電壓等級(jí)與GTR接近，而比 MOSFET高，其開(kāi)關(guān)損耗比兩者都低得多。而且IGBT正向著高耐壓、高頻率、大電流、低飽和壓降、高可靠、低成本的方向發(fā)展。

HXD3型電力機(jī)車主牽引變流器為牽引電機(jī)提供三相的變頻變壓電源，由整流器、逆變器（如圖1所示）、直流電路濾波電容、真空接觸器等主電路部分和無(wú)接點(diǎn)控制單元等控制電路部分構(gòu)成的裝置。根據(jù)車輛的速度，通過(guò)矢量控制，精確快速地控制牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。IGBT的四象限整流和逆變，對(duì)牽引和制動(dòng)實(shí)行連續(xù)控制，具有低噪聲，省電力等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 HXD 3機(jī)車CI整流器、逆變器單元體

整流器單元使用了模塊形IGBT元件，整流方式為二電平電壓型PWM方式，通過(guò)高速開(kāi)關(guān)元件的使用以及對(duì)各組CI控制載波的相位差控制，來(lái)降低高次諧波、提高功率因數(shù)。逆變器單元同整流器單元一樣，使用了同樣的IGBT元件、謀求單元的標(biāo)準(zhǔn)化。通過(guò)高速IGBT和32b／s高速演算控制裝置的配合進(jìn)行高速矢量控制，提高了電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制響應(yīng)速度、實(shí)現(xiàn)了高黏著控制和高速的空轉(zhuǎn)慣性補(bǔ)償控制。

機(jī)車再生制動(dòng)時(shí)，逆變器工作在整流狀態(tài)，四象限整流器工作在逆變狀態(tài)，并通過(guò)中間支流回路向主變壓器牽引繞組饋電，將再生能源回饋到接觸網(wǎng)。

2 IGBT故障現(xiàn)象及原因分析

圖2 IGBT模塊

CI部分的整流和逆變部分所采用的IGBT元件，如圖2所示。其額定電壓：4 500 V（集電極—發(fā)射極之間電壓）；額定電流900 A（集電極的有效電流值）；最大電流1 800 A；使用溫度：－40℃～125℃；絕緣耐電壓：6 000 V交流（1 min）［2］。IGBT在工作時(shí)經(jīng)常遇到各種工作狀況，如過(guò)載、橋臂直通、過(guò)高的電流增長(zhǎng)率、過(guò)高的電壓增長(zhǎng)率、散熱不好等，這些都會(huì)影響IGBT的正常工作［3］，導(dǎo)致IGBT性能下降，甚至燒損IGBT。即使是國(guó)外著名大公司的產(chǎn)品，IGBT模塊炸損事故也有發(fā)生。

機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)中如出現(xiàn)短路，過(guò)載等情況，可能會(huì)引起IGBT模塊粗線鍵合在芯片與金屬焊接處斷開(kāi)，此時(shí)在焊點(diǎn)周圍會(huì)產(chǎn)生金屬蒸汽團(tuán)，在模塊中建立起一種等離子體，此類情況較難進(jìn)行把控。由于內(nèi)部氣體不斷膨脹，殼體受到內(nèi)部壓力而破裂。如果內(nèi)部等離子體密度、壓力很大，而外殼密封又很好，所以一旦到達(dá)極限時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)類似壓力容器爆炸的事故，而且爆炸過(guò)程等離子體進(jìn)入設(shè)備中，造成整個(gè)系統(tǒng)的嚴(yán)重?fù)p壞、甚至造成列車停留在區(qū)間，嚴(yán)重影響運(yùn)輸秩序及行車安全，IGBT炸損事故如圖3所示。2010年濟(jì)南西機(jī)務(wù)段某型號(hào)機(jī)車途中發(fā)生微機(jī)顯示屏報(bào)CI3故障，并且跳主斷?；貦C(jī)務(wù)段檢查發(fā)現(xiàn)CI3整流模塊U相單元體的IGBT炸損，并且查看此故障記錄時(shí)發(fā)現(xiàn)此故障的故障記錄真實(shí)存在，如圖4所示。從CFDC2的故障信號(hào)可以得知，CI3相IGBT內(nèi)部短路故障發(fā)生的時(shí)間是2010年12月22日00點(diǎn)29分18秒，并且根據(jù)故障記錄中的GCFDCU，GCFDCV故障信號(hào)的電平變化，其中的V相是在U相發(fā)生故障后受到干擾導(dǎo)致的電平誤動(dòng)作信號(hào)。

圖3 IGBT炸損事故

圖4 機(jī)車故障記錄數(shù)據(jù)

IGBT的失效問(wèn)題如果以失效因素來(lái)分，可分3大類：第1類是內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷和制造工藝帶來(lái)的潛在失效；第2類就是各種外部應(yīng)力對(duì)其造成的失效，如電應(yīng)力（表現(xiàn)為過(guò)電壓、過(guò)電流毛刺）、熱應(yīng)力、靜電、輻射、濕度等；第3類是電路其他環(huán)境對(duì)其造成的影響，例如驅(qū)動(dòng)電路、吸收電路、回路寄生電感、寄生電容等。這些環(huán)節(jié)設(shè)置不好，將加速器件的失效。

這里對(duì)HXD3機(jī)車CI部分中IGBT失效現(xiàn)象做針對(duì)性的分析。

CI單元體內(nèi)應(yīng)用的開(kāi)關(guān)器件，都要經(jīng)受惡劣的運(yùn)行環(huán)境、復(fù)雜的負(fù)載狀況的考驗(yàn)，而IGBT模塊內(nèi)部的結(jié)構(gòu)對(duì)此狀況尤為敏感。IGBT模塊基板材料都是鋁瓷，通常稱為碳化硅鋁（AlSiC），這種材料具低膨脹系數(shù)和高熱導(dǎo)率的特性，因此稱為最理想的IGBT基板材料銅基板；襯底為金屬化的陶瓷板（稱DBC板）和芯片組成的多層結(jié)構(gòu)（如圖5所示），它們是以機(jī)械焊接方式焊接起來(lái)的。芯片是通過(guò)許多一定粗細(xì)的鋁絲用所謂粗線鍵合（超聲波鋁絲壓焊）方法與管殼的發(fā)射極連接，如圖6所示。機(jī)車上的IGBT模塊要在幾秒間隔內(nèi)承受快速變化的負(fù)載加熱和冷卻，但是每根鋁絲與芯片接觸面積僅占芯片有效面積的1／5左右，因此將產(chǎn)生芯片局部熱量變化、材料和焊接點(diǎn)產(chǎn)生疲勞引起的損壞。IGBT模塊在牽引狀態(tài)中應(yīng)用對(duì)熱疲勞影響較大，再加上機(jī)車在牽引過(guò)程中一直處于劇烈的三維振動(dòng)狀態(tài)，對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生不可忽視的影響，加劇了失效速度。

圖5 有基板功率模塊結(jié)構(gòu)圖

圖6 芯片

為了實(shí)現(xiàn)裝置的小型化以及提高冷卻性能，對(duì)CI的冷卻采用強(qiáng)制循環(huán)水冷方式，利用去離子水和乙二醇的混合冷卻介質(zhì)，通過(guò)熱交換器對(duì)IGBT器件進(jìn)行冷卻，具有較好的冷卻效果。CI單元體內(nèi)的IGBT模塊散熱基板材料是碳化硅鋁，而水冷的散熱板是鋁質(zhì)的，二者通過(guò)多個(gè)螺栓固定并在其間均勻涂滿導(dǎo)熱硅脂。當(dāng)機(jī)車在低溫情況下，迅速達(dá)到額定狀態(tài)，模塊內(nèi)部節(jié)壓降和開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的熱量勢(shì)必要通過(guò)DBC板和基板熱傳導(dǎo)至鋁制散熱片而進(jìn)行散熱。在如此的溫度變化而材質(zhì)的熱膨脹系數(shù)不同的情況下，一定會(huì)對(duì)IGBT模塊內(nèi)部造成一定的應(yīng)力，使內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變進(jìn)而引發(fā)失效。

3 防止HXD 3機(jī)車IGBT失效的技術(shù)措施

IGBT的過(guò)流保護(hù)采用了瞬態(tài)鉗位保護(hù)和軟件保護(hù)兩種。當(dāng)硬開(kāi)關(guān)故障（簡(jiǎn)稱HSF）和負(fù)載短路故障（簡(jiǎn)稱FUL）發(fā)生后，IGBT處于短路狀態(tài)，以及密勒電容的影響，會(huì)產(chǎn)生很高的d i／d t，以至于使其進(jìn)入擎住區(qū)，失控?fù)p壞。機(jī)車IGBT模塊的門極驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)具有瞬態(tài)鉗位保護(hù)的功能，當(dāng)短路故障發(fā)生后，Uce壓降升高，致使連接在C、E上的檢測(cè)二極管退飽和，進(jìn)而封鎖門極驅(qū)動(dòng)動(dòng)作并反饋給控制單元報(bào)告錯(cuò)誤，同時(shí)由軟件控制封鎖所有的驅(qū)動(dòng)信號(hào)并報(bào)警，讓IGBT在進(jìn)入擎住區(qū)前就自動(dòng)關(guān)閉。

該種保護(hù)響應(yīng)速度快，并具有可以發(fā)出反饋信號(hào)等特點(diǎn)。但是瞬間的高電壓沖擊是無(wú)法避免的，尤其回路中存在寄生電感而所使用的IGBT模塊中并沒(méi)有加入RC保護(hù)電路的情況下，會(huì)造成PN結(jié)不可恢復(fù)的損傷，因此要積極避免發(fā)生過(guò)電壓故障。而在應(yīng)用過(guò)程中，機(jī)車的PG（速度傳感器）信號(hào)采集不準(zhǔn)確，會(huì)引起控制單元采集的轉(zhuǎn)速信息不正確，進(jìn)而引發(fā)對(duì)四象限整流器和逆變器的失調(diào)和超調(diào)，使中間直流電壓超過(guò)3 200 V的保護(hù)值，或者對(duì)負(fù)載的扭矩調(diào)整不正確，以及各種強(qiáng)磁干擾信號(hào)等都會(huì)誘發(fā)過(guò)電壓故障。因此，機(jī)車定修時(shí)應(yīng)仔細(xì)檢查速度傳感器無(wú)異常，連線無(wú)損壞，插頭連接緊固，安裝可靠。為避免發(fā)生IGBT因環(huán)境高溫?fù)p壞，應(yīng)仔細(xì)檢查冷卻水管道、管道各接頭部位、各種閥類應(yīng)無(wú)漏水痕跡；檢查冷卻水位在刻線范圍內(nèi)，如果不足，在查明不足原因后，注入缺少的冷卻液；高壓試驗(yàn)確認(rèn)冷卻水流量達(dá)到要求（200—220 L／min）；外觀檢查冷卻泵無(wú)異常，狀態(tài)良好。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著IGBT在電力機(jī)車中的廣泛應(yīng)用，了解IGBT的原理和研究其應(yīng)用技術(shù)就顯得更為重要。通過(guò)以上對(duì)應(yīng)用在HXD3型電力機(jī)車主牽引變流器部分IGBT模塊原理及失效原因、措施的探討，希望為今后出現(xiàn)此類故障時(shí)原因查找及預(yù)防提供借鑒。

［1］黃 俊，王兆安．電力電子變流技術(shù)［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000．

［2］中國(guó)北車集團(tuán)大連機(jī)車車輛有限公司．HXD3型交流傳動(dòng)貨運(yùn)電力機(jī)車培訓(xùn)教材［G］．大連中國(guó)北車集團(tuán)大連機(jī)車車輛有限公司，2007．

［3］Viond John Bum－Seok Sun．Circuit Protection of IGBT．Thomas A．Lipo．Fast Clamped Short IEEE．1998．