HXD2B電力機(jī)車變流器C6修程關(guān)鍵器件壽命研究

劉立剛， 張修同

(中車永濟(jì)電機(jī)有限公司 技術(shù)中心, 西安 710016)

自2015年4月起中國鐵路總公司對(duì)和諧型機(jī)車修程修制進(jìn)行改革，在修程上設(shè)置C1、C2、C3、C4、C5、C6修6個(gè)等級(jí)，其中C1～C4修為段級(jí)修程，C5、C6修為高等級(jí)修程。和諧型電力機(jī)車C6修程周期為：200×(1±10%)萬km，不超過12年。機(jī)車全面分解檢修，全面性能參數(shù)測(cè)試，恢復(fù)基本性能，進(jìn)行機(jī)車或主要部件的更新等技術(shù)提升工作均需要在C6修程中提出要求。

電力機(jī)車變流器產(chǎn)品在C6修程如何達(dá)到科學(xué)檢修，優(yōu)化全壽命周期運(yùn)行成本，更好的保證變流裝置運(yùn)行的可靠性，這需要對(duì)變流器關(guān)鍵零部件的疲勞壽命及可靠性進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。中車永濟(jì)電機(jī)有限公司FRACAS故障信息閉環(huán)管理系統(tǒng)構(gòu)建了機(jī)車變流裝置產(chǎn)品故障信息大型數(shù)據(jù)庫和關(guān)鍵部件故障數(shù)據(jù)庫，結(jié)合關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)壽命、以及部件壽命可靠性預(yù)測(cè)，為維修策略、保障策略和備件策略制定提供依據(jù)，以便更合理的制定修程中必?fù)Q件、偶換件及維修件明細(xì)。

下面對(duì)機(jī)車變流產(chǎn)品關(guān)鍵零部件的壽命研究主要從失效機(jī)理和故障統(tǒng)計(jì)等方面分析入手，實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵零部件的可靠性壽命預(yù)測(cè)，為機(jī)車變流器產(chǎn)品C6修程提供理論依據(jù)。

1 基于失效機(jī)理的器件壽命預(yù)測(cè)

從關(guān)鍵零部件器件失效機(jī)理分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵零部件的壽命預(yù)測(cè)，以板卡類器件和功率器件進(jìn)行壽命分析預(yù)測(cè)為例。

1.1 板卡級(jí)器件壽命預(yù)測(cè)

板級(jí)電路失效一般可分成兩類：一類是板級(jí)電路上的元器件失效，包括元器件本身存在缺陷不能滿足工藝條件而產(chǎn)生的失效，以及使用后產(chǎn)生的失效；另一類失效則是互連失效，包括焊點(diǎn)失效與PCB內(nèi)部缺陷導(dǎo)致的失效。板級(jí)失效主要是元器件失效問題導(dǎo)致。在此主要討論元器件失效問題。

組成板級(jí)器件主要器件類型：①阻容器件；②分立器件；③集成電路。

根據(jù)板級(jí)電路主要器件組成分類，分別分析不同種類元器件失效模式和失效機(jī)理。

根據(jù)驅(qū)動(dòng)板器件明細(xì)，構(gòu)成驅(qū)動(dòng)板的主要電子元器件大致可分為阻容器件(共255件，占69%)、分立器件(共87件，占23%)和集成電路(共28件，占8%)3類。

1.1.1阻容器件

驅(qū)動(dòng)板所選用的阻容器件主要有貼片陶瓷電容、貼片鉭電容、鋁電解電容、金屬膜貼片電阻、軸向電阻等。額定條件下電阻器件的平均首次故障時(shí)間可以達(dá)到30 000 h以上，其可靠性基本滿足產(chǎn)品要求。但是，額定工作狀態(tài)下電容器件的平均首次故障時(shí)間是所有器件中最低的，這對(duì)板級(jí)電路平均首次故障時(shí)間的提高會(huì)造成很大的制約作用。為了提高電容器件的平均首次故障時(shí)間，驅(qū)動(dòng)板在設(shè)計(jì)之初采用了降額設(shè)計(jì)原則，即在不過多增加成本的原則上，選用耐壓高，溫度適用范圍大，精度高的電容器件。經(jīng)過降額設(shè)計(jì)之后，電容元件的平均首次故障時(shí)間大約可提高到30 000 h以上。阻容器件主要失效模式如表1、表2所示，若要近一步提高阻容器件平均首次故障時(shí)間，便要根據(jù)其常見失效模式實(shí)施有針對(duì)性的預(yù)防措施。

表1 驅(qū)動(dòng)板電阻器件失效模式

表2 驅(qū)動(dòng)板電容器件失效模式

1.1.2分立器件

驅(qū)動(dòng)板所選用的分立器件主要有齊納二極管(穩(wěn)壓管)、快速二極管、整流二極管、保護(hù)二極管、雙向瞬態(tài)抑制二極管、N型MOS管、P型MOS管、NPN晶體管、PNP晶體管等。額定條件下分立器件的平均首次故障時(shí)間可以達(dá)到80 000 h以上，基本滿足產(chǎn)品可靠性要求。這些分立器件存在著一些共性的失效模式(如表3所示)，通過制定合理措施，對(duì)分立器件的主要失效模式進(jìn)行預(yù)防，其平均首次故障時(shí)間可以近一步提高。

表3 驅(qū)動(dòng)板分立器件失效模式

1.1.3集成電路

驅(qū)動(dòng)板所選用的集成電路主要有運(yùn)算放大器集成門電路、開關(guān)控制器、光電耦合器、穩(wěn)壓器、電源電壓監(jiān)控器、定時(shí)器、比較器等。額定條件下集成電路的平均首次故障時(shí)間可達(dá)100 000 h以上，完全可以滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求。為了保障集成電路器件的可靠性，產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)針對(duì)集成電路的失效模式采取相應(yīng)的預(yù)防措施，表4給出了一般集成電路共有的幾種失效模式。

表4 驅(qū)動(dòng)板集成電路失效模式

結(jié)合以上分析，由于構(gòu)成驅(qū)動(dòng)板的阻容器件、分立器件和集成電路的平均首次故障時(shí)間(MTTF)有著較大差異，一般看來集成電路MTTF最長，分立器件MTTF次之，阻容器件MTTF最短，如圖1所示。

因此阻容器件的MTTF值也就決定了板級(jí)電路的MTTF值，由于IGBT驅(qū)動(dòng)電路板維修困難、維修成本高、維修件性能下降嚴(yán)重等因素，驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)壽命可以等同為其平均首次故障時(shí)間(MTTF)。于是，以C版牽引模塊驅(qū)動(dòng)板(D130000170657)為例，驅(qū)動(dòng)板的理論設(shè)計(jì)壽命如下所示：

圖1 驅(qū)動(dòng)板主要電子元器件MTTF估計(jì)

其中，驅(qū)動(dòng)板電容元件平均首次故障時(shí)間MTTFC=30 000 h；

驅(qū)動(dòng)板電阻器件平均首次故障時(shí)間MTTFR=30 000 h；

根據(jù)驅(qū)動(dòng)板工作原理，電容器件有效工作時(shí)間系數(shù)α約為0.4～0.6，電阻器件有效工作時(shí)間系數(shù)β約為0.6～1。

假定計(jì)算條件：

(1)進(jìn)行運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)時(shí)，運(yùn)行時(shí)間按每年2 482 h，年運(yùn)行20萬km計(jì)算；

(2)功率模塊在等級(jí)修階段非必?fù)Q件，只進(jìn)行故障維修；

α=0.6,β=1,λ=0.28

故驅(qū)動(dòng)板理論設(shè)計(jì)壽命為12.23年，因此建議在C6級(jí)修時(shí)(即列車運(yùn)行12年，或運(yùn)行里程滿200萬km·h)，對(duì)即將到期的驅(qū)動(dòng)板進(jìn)行分批次維修保養(yǎng)、試驗(yàn)檢測(cè)和剩余壽命評(píng)估。

1.2 功率器件壽命預(yù)測(cè)

1.2.1失效機(jī)理及判定

IGBT模塊是不同材料封裝在一起的多層結(jié)構(gòu)，由于不同材料之間熱膨脹系數(shù)(CTE)的差別，在溫度循環(huán)過程中，材料受到不同程度的壓縮或拉伸應(yīng)力。這種應(yīng)力將首先破壞模塊的連接部分，如焊層、引線和端子焊點(diǎn)等處(見圖2)，引起焊接材料及鍵合點(diǎn)疲勞與老化，最終造成芯片鍵合點(diǎn)斷裂或焊料開裂分層，進(jìn)而使模塊失效。

圖2 IGBT失效機(jī)理

IGBT器件失效判定采用B10原則 一批產(chǎn)品使用過程中出現(xiàn)10%的器件失效。如采用B5及B1原則，則對(duì)應(yīng)壽命乘以系數(shù)0.9及0.7。

IGBT器件失效判定標(biāo)準(zhǔn)：

①IGBT飽和壓降Vce(sat)增加5%；

增加原因：鍵合線鍵合點(diǎn)斷裂、芯片焊層分層。

②結(jié)-殼熱阻Rth增加20%。

增加原因：芯片焊料分層、DBC焊料分層。

1.2.2HXD2B型機(jī)車用6 500 V/600 A IGBT模塊壽命預(yù)測(cè)

由于該機(jī)車無規(guī)定運(yùn)行線路，因此無法得到準(zhǔn)確的機(jī)車等效運(yùn)行圖，即任務(wù)曲線。以下按照最惡劣運(yùn)行狀況進(jìn)行計(jì)算，以得到較為準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。

該機(jī)車配屬于南京東機(jī)務(wù)段，1天平均運(yùn)行7 h，其余17 h入庫休整，平均1 h為1個(gè)運(yùn)行周期，1天經(jīng)歷7個(gè)運(yùn)行周期，平均速度78 km/h。

目前中車永濟(jì)電機(jī)有限公司還沒有完整的IGBT器件壽命模型，因此器件壽命按照文獻(xiàn)[1]結(jié)果進(jìn)行計(jì)算。

(1)相鄰兩站之間循環(huán)

IGBT芯片結(jié)溫加速過程中由60℃(冷卻液溫度)上升到100℃(時(shí)間5 min)，加速完成后以恒速運(yùn)行50 min(結(jié)溫80℃)，減速2 min(再生制動(dòng)，結(jié)溫由80℃上升至90℃)，停站3 min(結(jié)溫由90℃下降到60℃，冷卻液溫度)。

①結(jié)溫Tj變化：60℃(停車時(shí))到100℃(加速時(shí))；

②殼溫Tc變化：60℃(停車時(shí))到80℃(加速時(shí))；

③加速時(shí)間約300 s。

(2)每日循環(huán)

①結(jié)溫Tj變化：0℃到80℃(極限條件，結(jié)溫平均值)；

②殼溫Tc變化：0℃到70℃(極限條件，殼溫平均值)；

(3)相鄰兩站之間循環(huán)壽命預(yù)測(cè)

①DBC焊層

殼溫變化ΔTc=20℃，殼溫最小值Tc·min=60℃，壽命為5 110 000個(gè)周期，見圖3。

圖3 DBC殼溫度變化壽命周期曲線

②芯片焊層

ΔTj=40℃，Tj·max=100℃，壽命為2 200 000個(gè)周期，見圖4。

圖4 芯片焊層溫度變化壽命周期曲線

③鍵合線

ΔTj=40℃，Tj·max=100℃，壽命為18 500 000個(gè)周期。

圖5 鍵合線溫度變化壽命周期曲線

(4)每日循環(huán)壽命預(yù)測(cè)

①DBC焊層

ΔTc=70℃，Tc·min=0℃，壽命為27 000個(gè)周期，見圖6。

②芯片焊層

ΔTj=80℃，Tj·min=0℃，壽命為個(gè)60 600周期，見圖7。

圖6 DBC殼溫度變化壽命周期曲線

圖7 芯片焊層溫度變化壽命周期曲線

③鍵合線

ΔTj=80℃，Tj·max=80℃，壽命為518 000周期。

1.2.3壽命預(yù)測(cè)

依據(jù)ABB公司提供的模型預(yù)測(cè)，6 500 V/600 A IGBT模塊在HXD2B機(jī)車逆變器系統(tǒng)中的壽命約為74年，里程1 474萬km。

英飛凌、三菱、ABB公司IGBT模塊結(jié)構(gòu)及材料相似，因此上述計(jì)算同樣適用。

上述計(jì)算是根據(jù)IGBT模塊功率循環(huán)(PC)及溫度循環(huán)(TC)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的，實(shí)際應(yīng)用過程中還會(huì)涉及到環(huán)境溫度、濕度、安裝、振動(dòng)、電流電壓畸變等因素影響；此預(yù)測(cè)只是與封裝相關(guān)的失效，不包含芯片相關(guān)的失效，如過壓、過流、短路、靜電荷放電、閂鎖效應(yīng)、外部輻射等。因此實(shí)際壽命比上述預(yù)測(cè)的要小。

表5 6 500 V/600 A IGBT模塊B10壽命預(yù)測(cè)

1.2.4IGBT失效預(yù)測(cè)建議

①通過IGBT模塊飽和壓降Vce(sat)及熱阻Rth測(cè)量與對(duì)比(使用前對(duì)比)判定是否需要更換模塊，而不是依據(jù)公里數(shù)及運(yùn)行時(shí)間；

②定期測(cè)試在線運(yùn)行機(jī)車IGBT模塊參數(shù)，尋找電學(xué)特性變化規(guī)律，找出機(jī)車任務(wù)曲線對(duì)應(yīng)的模塊壽命模型；

③一些失效是應(yīng)力(電應(yīng)力與機(jī)械應(yīng)力)積累的過程，因此可以對(duì)正在使用好的模塊進(jìn)行測(cè)量與分析，試圖找出失效原因。

2 基于故障分布的壽命預(yù)測(cè)與研究

基于故障分布的壽命預(yù)測(cè)與研究，是根據(jù)部件故障統(tǒng)計(jì)情況，通過故障分布函數(shù)擬合推測(cè)器件可靠壽命。

產(chǎn)品的故障分布函數(shù)是計(jì)算器件可靠性評(píng)估指標(biāo)的依據(jù)。常用的故障分布有指數(shù)分布、正態(tài)分布、Gamma分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布、威布爾分布等。一般電子產(chǎn)品、復(fù)雜系統(tǒng)的失效時(shí)間(或故障間隔時(shí)間)服從指數(shù)分布，機(jī)械類產(chǎn)品的失效時(shí)間(或故障間隔時(shí)間)大多服從威布爾分布。

由于HXD2B電力機(jī)車配屬變流柜(2Q224)裝車運(yùn)行時(shí)間較長，對(duì)于研究變流柜器件壽命有比較大的分析參考價(jià)值，因此以變流柜(2Q224)在線運(yùn)行故障數(shù)據(jù)為例，預(yù)測(cè)部件的可靠壽命。

假定計(jì)算條件

進(jìn)行運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)時(shí)，運(yùn)行時(shí)間按每年2 482 h，年運(yùn)行20萬km計(jì)算；

器件在等級(jí)修階段非必?fù)Q件，只進(jìn)行故障維修；

本次壽命計(jì)算可靠度為R時(shí)的可靠壽命，即t(R)時(shí)的壽命。

2.1 功率模塊壽命統(tǒng)計(jì)推斷

根據(jù)功率模塊運(yùn)行數(shù)據(jù)，按秩回歸法找到最佳分布為指數(shù)(2參數(shù))分布，進(jìn)行壽命統(tǒng)計(jì)推斷結(jié)果如圖8可靠度與時(shí)間關(guān)系矩陣。

圖8 功率模塊可靠度與時(shí)間關(guān)系矩陣

計(jì)算參數(shù)選取如表6：

表6 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算功率模塊可靠壽命t(R)結(jié)果如下：

t(0.70)=10 a(或200萬km)

根據(jù)故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)擬合推測(cè)出的變流功率模塊在運(yùn)行200萬km的可靠度0.70，這時(shí)可靠度偏低，因此在C6修程中需要對(duì)該部件進(jìn)行拆解維修，并進(jìn)行相關(guān)的性能測(cè)試。

2.2 檢測(cè)器件故障統(tǒng)計(jì)和壽命推測(cè)

根據(jù)電壓傳感器運(yùn)行數(shù)據(jù)，按秩回歸法找到最佳分布為Gamma分布，進(jìn)行壽命統(tǒng)計(jì)推斷結(jié)果如圖9—可靠度與時(shí)間關(guān)系矩陣。

圖9 電壓傳感器可靠度與時(shí)間關(guān)系矩陣

計(jì)算參數(shù)選取如表7：

表7 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算電壓傳感器可靠壽命t(R)結(jié)果如下：

t(0.88)=10 a(或200萬km)

根據(jù)故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)擬合計(jì)算出的電壓傳感器在運(yùn)行200萬km的可靠度0.88，該部件在2013年7月至2014年10月故障高發(fā)，后來進(jìn)行過批量更換升級(jí)，故障率明顯降低。針對(duì)該部件情況，在C6修程時(shí)需要檢測(cè)電壓傳感器的測(cè)量范圍、測(cè)量精度和絕緣耐壓，對(duì)超出范圍要求的進(jìn)行更換。

2.3 電器件

(1)中間支撐電容壽命統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)

按秩回歸法找到最佳分布為指數(shù)(2參數(shù))分布分布，進(jìn)行壽命統(tǒng)計(jì)推斷結(jié)果如圖10。

圖10 中間支撐電容可靠度與時(shí)間關(guān)系矩陣

計(jì)算參數(shù)選取如表8：

表8 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算可靠壽命t(R)結(jié)果如下

t(0.97)=10 a(或200萬km)

因此，中間支撐電容在運(yùn)行200萬km的可靠度0.97，由于該部件設(shè)計(jì)壽命是30年，針對(duì)該部件運(yùn)行情況，在C6修程時(shí)需要檢查該部件是否有變形、測(cè)量電容容值及損耗，對(duì)超出限值范圍的需進(jìn)行更換。

(2)慢放電電阻壽命統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)

按秩回歸法找到最佳分布為指數(shù)(2參數(shù))分布分布，進(jìn)行壽命統(tǒng)計(jì)推斷結(jié)果如圖11。

圖11 慢性放電電阻可靠度與時(shí)間關(guān)系矩陣

選取計(jì)算參數(shù)如表9：

表9 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算可靠壽命t(R)結(jié)果如下：

t(0.84)=10 a(或200萬km)

慢放電電阻在運(yùn)行200萬km的可靠度0.84。由于慢放電電阻設(shè)計(jì)壽命是30年，考慮2Q224慢放電阻在運(yùn)行初期，由于故障率較高(FPMH=0.2)，進(jìn)行了批量改制，改制后的慢放電阻故障率明顯下降(FPMH=0.13)，因此在C6修程時(shí)，需要進(jìn)行耐壓、絕緣及阻值測(cè)試，不在技術(shù)要求范圍內(nèi)的需進(jìn)行更換。

2.4 旋轉(zhuǎn)件

變流裝置旋轉(zhuǎn)部件類主要是冷卻風(fēng)機(jī)和水泵。在機(jī)車運(yùn)行階段故障統(tǒng)計(jì)到的水泵故障偏少，因此在此針對(duì)冷卻風(fēng)機(jī)展開壽命推測(cè)研究。

根據(jù)冷卻風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)行壽命統(tǒng)計(jì)推斷結(jié)果如圖12—可靠度與時(shí)間關(guān)系矩陣。

圖12 冷卻風(fēng)機(jī)可靠度與時(shí)間關(guān)系矩陣

進(jìn)行計(jì)算參數(shù)選取如表10：

表10 計(jì)算參數(shù)

可靠壽命t(R)結(jié)果如下：

t(0.87)=10 a(或200萬km)

冷卻風(fēng)機(jī)在運(yùn)行200萬km的可靠度0.87。由于冷卻風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)壽命是30年，因此在C6修程時(shí)，進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)測(cè)試(包括絕緣耐壓、軸承溫升和動(dòng)平衡機(jī)振動(dòng)值測(cè)量等)。

3 總 結(jié)

基于部件失效機(jī)理分析的壽命預(yù)測(cè)， 由于運(yùn)行環(huán)境的復(fù)雜性，與實(shí)際應(yīng)用壽命有時(shí)會(huì)存在一定的偏差。為提高壽命預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，需要模擬運(yùn)行參數(shù)、環(huán)境參數(shù)接近于實(shí)際運(yùn)行工況。

基于故障分布的部件壽命預(yù)測(cè)，是由部件故障統(tǒng)計(jì)次數(shù)和部件運(yùn)行總時(shí)間量擬合推測(cè)出的，部件的故障統(tǒng)計(jì)次數(shù)越高，預(yù)測(cè)壽命越準(zhǔn)確。由于目前等級(jí)修檢修單位的不確定性，部件的更換記錄和故障統(tǒng)計(jì)的連續(xù)性都受到影響，相應(yīng)也影響了器件壽命可靠度預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

無論是基于失效機(jī)理分析的壽命預(yù)測(cè)還是基于故障分布的部件壽命預(yù)測(cè)，均需要有全面而準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)作為支撐。變流器的設(shè)計(jì)制造單位、使用單位和維修單位很難達(dá)到統(tǒng)一，使用數(shù)據(jù)和維修維護(hù)數(shù)據(jù)的收集、以及數(shù)據(jù)庫的建立需要產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造、使用和維修單位共同完成，收集完整、有效、準(zhǔn)確、不間斷的數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)共享平臺(tái)，對(duì)機(jī)車變流器的全壽命周期研究具有重要意義。

[1] ABB. Loading-cycling capability of Hipak IGBT modules[Z].