HXD3機車主變流器IGBT故障分析與對策研究

摘 要：IGBT因其卓越的性能，被廣泛應(yīng)用于軌道交通牽引等大功率場合，若IGBT功率模塊發(fā)生故障，就會造成停車事故對運行安全造成威脅。本文介紹IGBT在牽引主變流器中的應(yīng)用，分析發(fā)生炸裂故障的原因，并提出預(yù)防技術(shù)措施。

關(guān)鍵詞：HXD3機車；IGBT；故障

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.12.008

0 引言

HXD3 型電力機車主變流器為牽引電動機提供電能，主變流器就好比機車的心臟，它的好壞直接關(guān)系到機車的質(zhì)量性能。近年來，IGBT炸損事故頻發(fā)，嚴重影響了機車的正常運行。隨著故障發(fā)生愈加頻繁，如何快速有效減少故障發(fā)生成為當前亟待解決的問題。

1 IGBT在主變流器中的應(yīng)用

HXD3機車主變流柜的主電路分別由脈沖寬度調(diào)制PWM逆變器模塊、四象限整流器模塊、中間濾波電容直流環(huán)節(jié)、真空接觸器等部分組成，無接點控制單元構(gòu)成其控制電路[1]。主變流柜可針對車輛的不同時速，對牽引電機采用矢量控制，精確調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，從而快速改變機車運行速度。

四象限整流單元由兩個IGBT元件并聯(lián)后組成功率模塊，逆變單元則是由單個IGBT元件構(gòu)成的功率模塊。通過對電力電子開關(guān)IGBT采用PWM控制，能將由變壓器二次側(cè)繞組引出的1450V交流電壓轉(zhuǎn)換成為2800V直流電壓。經(jīng)過中間直流環(huán)節(jié)的重要作用后，逆變單元將輸入電壓為2800V直流逆變?yōu)轭~定輸出電壓為2150V的U、V、W三相交流電壓，對牽引電機提供電能。

IGBT功率模塊作為逆變單元和四象限整流單元的重要組成部分，對機車加速度的上升和下降進行連續(xù)控制，實現(xiàn)機車的牽引和制動，要求其可靠性高，噪聲低，功耗低。它的炸裂不僅使得自身報廢、后期的維修只能整體更換，還會因爆炸沖擊導(dǎo)致周圍相關(guān)電路板和元器件的損壞和老化，在給段上帶來巨大經(jīng)濟成本壓力的同時也會埋下安全隱患，嚴重影響機車質(zhì)量。

2 IGBT故障現(xiàn)象原因分析

IGBT功率模塊運行于高電壓、大電流的應(yīng)用場合，其功率損耗較大和工作結(jié)溫較高。當作為高頻率開關(guān)使用時，為了使模塊工作性能良好，應(yīng)控制IGBT的工作結(jié)溫，防止過熱燒損芯片。機車中IGBT元件的額定參數(shù)如下：額定電壓為4500V；額定電流為900A；最大電流為1800A，器件使用溫度范鬧為-40℃—125℃。

經(jīng)過調(diào)查統(tǒng)計，2016年某機務(wù)段發(fā)生18起IGBT炸裂故障。其中6、7、8月份，故障率明顯升高。尤其是雷雨天氣，主變流柜內(nèi)IGBT爆炸事故高達87%。故障位置發(fā)生在逆變側(cè)的比例是89%，而整流側(cè)僅為11%。CI1-CI6均有故障發(fā)生，其中故障率最高的是位于CI3，其次是CI4。而且炸裂位置多位于U相，超出了V、W相的故障總數(shù)。分析故障原因與下列因素有關(guān)：

2.1 與環(huán)境溫度的關(guān)系

IGBT炸裂故障發(fā)生率在環(huán)境溫度的升高時明顯上升，到7、8月份時達到頂峰，而溫度降低時故障件數(shù)隨之減小。CI內(nèi)部IGBT模塊使用的散熱基板材料是碳化硅鋁，而水冷的散熱板是鋁質(zhì)的，使用螺栓緊固密貼，并涂以導(dǎo)熱硅脂。開關(guān)工作過程中產(chǎn)生的熱量最終通過通過傳導(dǎo)至鋁制散熱片進行散熱。當溫度變化引起材料的熱膨脹系數(shù)不同時，IGBT模塊內(nèi)部受到一定的應(yīng)力，使內(nèi)部結(jié)構(gòu)受損，芯片失去作用[2]。

2.2 與大氣濕度的關(guān)系

潮濕的氣候狀況容易引起材料的腐燭，受損的IGBT會因腐燭造成芯片功能進一步下降，可能導(dǎo)致IGBT炸裂?？諝庵械南鄬穸炔皇枪潭ú蛔兊?，它與環(huán)境溫度有很大關(guān)聯(lián)。當器件表面材料熱膨脹系數(shù)不同或者溫度高致使表面結(jié)構(gòu)變形，環(huán)境中的水分也容易進入器件內(nèi)，使內(nèi)部絕緣程度驟降，導(dǎo)致不良擊穿現(xiàn)象。因此，對于IGBT模塊應(yīng)有一定的絕緣度要求。經(jīng)查閱資料，根據(jù)大連東芝公司對TCMS主機工作的空氣相對濕度標準為30%-80%，判斷IGBT正常工作的濕度為30%-80%，當工作環(huán)境濕度超過80%時，會導(dǎo)致IGBT表面絕緣降低引起過電壓，擊穿IGBT模塊。當天氣為雨季或暴雪天氣時，會導(dǎo)致機車機械間內(nèi)空氣濕度同步增加。由于機車運行中主變流柜內(nèi)溫度過高，水份因高溫氣化，當機車停車時，機車功率降低，主變流柜內(nèi)溫度降低，部分水分液化成霧沉積在變流柜下部。同時經(jīng)過復(fù)合冷卻器風冷的冷卻水首先經(jīng)過逆變側(cè)IGBT，加速水份液化，導(dǎo)致逆變側(cè)IGBT表面濕度超過80%，引發(fā)過電壓擊穿。

2.3 與柜內(nèi)潔凈度的關(guān)系

機車運行環(huán)境較差泥灰粉塵多，主變流柜內(nèi)均不同程度灰塵污染，機車IGBT單元體表面發(fā)現(xiàn)附著薄薄一層泥灰，由于灰塵落在IGBT表面更容易吸附水汽，由水汽和灰塵組成的混合體進一步凝固形成潮濕的附著物，進而引發(fā)過電壓擊穿。

3 防止的技術(shù)措施

（1）為防止出現(xiàn)IGBT因環(huán)境溫度過高損壞，應(yīng)仔細檢查CI冷卻系統(tǒng)的復(fù)合冷卻器、冷卻水管道、管道各接頭部位、各種閥類是否密封良好無滲水現(xiàn)象；檢查冷卻板平面度滿足小于0.02mm的要求，IGBT與冷卻板粘結(jié)緊密；檢查冷卻水位在規(guī)定范圍內(nèi)，若低于刻度線，應(yīng)查明原因，并注入冷卻液；檢查高壓試驗冷卻水流量達到要求（200-220L/min）；檢查冷卻泵外觀無異常，狀態(tài)良好。

（2）在主變流柜內(nèi)部逆變側(cè)掛置空氣干燥器（集水袋），集裝箱防潮使用的集水袋和干燥劑（防潮三個月），能夠長時間有效對主變流柜內(nèi)部進行防潮，即使在雨水較多季節(jié)也能保證變流柜內(nèi)部空氣濕度在80%以下。空氣濕度達不到造成IGBT炸裂條件，從而避免水汽遇冷液化附著在IGBT表面造成過電壓炸裂故障。

（3）在機車入庫檢修時，打開主變流器蓋板并用干棉絲對變流器內(nèi)部各個和IGBT表面進行擦拭；用便攜式吸塵器對死角處灰塵和浮灰進行再清潔。利用秋整時期對HXD3型機車機械間進行徹底保潔，尤其是走廊地板下和各電器柜頂部等容易落灰處進行清潔，減少主變流器柜內(nèi)灰塵來源，避免灰塵附著在IGBT表面更容易吸附液化水蒸氣。

4 結(jié)束語

通過對機車主變流柜IGBT炸裂故障現(xiàn)象的理論分析，并針對故障發(fā)生的要因，提出了可行有效的技術(shù)預(yù)防措施，并在2017年主變流器CI單元體故障中取得明顯成效，炸裂事故下降超出預(yù)期目標。

參考文獻：

[1]HXD3B型電力機車牽引控制單元DCU2導(dǎo)致的故障判斷及處理措施[J].鐵道機車與動車，2016（07）：37-39.

[2]丁玉峰.HXD3型機車常見故障分析及處理措施[J].電力機車與城軌車輛，2013，36（02）：76-78.

作者簡介：楊艷萍（1989-），女，甘肅定西人，碩士研究生，講師。