基于地鐵牽引架控系統(tǒng)IGBT模塊擊穿問(wèn)題的研究

張超 季本慧

摘要：IGBT是牽引變流器的核心部件，對(duì)于牽引系統(tǒng)的正常運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。而地鐵牽引架控系統(tǒng)與車控系統(tǒng)相比有所不同，其采用一個(gè)變流器模塊控制一個(gè)轉(zhuǎn)向架上的電機(jī)，IGBT的排布方式也有所不同。本文針對(duì)架控系統(tǒng)中IGBT模塊擊穿問(wèn)題進(jìn)行分析，找出可能存在的原因，并加以解決，這對(duì)于以后架控系統(tǒng)的IGBT模塊故障排查有重要的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：架控;變流器;IGBT模塊;擊穿;

中圖分類號(hào)：TM56文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

Abstract：IGBT is the core component of traction converter and plays an important role in the operation of traction system.Compared to the vehicle drive propulsion system，bogie drive propulsion system uses a converter module to control two motors on a bogie. The IGBT layout of bogie drive propulsion system is different from vehicle drive propulsion system.This paper analyzes the breakdown problem of IGBT forbogie drive propulsion system. The purpose of this paper is to find out the possible reasons and solve them. It has practical significance for IGBT fault detection forbogie drive propulsion system in the future.

Key words：Bogie drive; Converter; IGBT module; Breakdown

0.引言

IGBT，全稱絕緣柵雙極型晶體管，其主要由兩部分組成，一部分是雙極型三極管，一部分是絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管，這兩部分復(fù)合組成了IGBT。所以IGBT是一種復(fù)合全控型并且由電壓驅(qū)動(dòng)的功率半導(dǎo)體器件，該器件在飽和壓較低的同時(shí)驅(qū)動(dòng)功率較小，普遍應(yīng)用在地鐵車輛牽引系統(tǒng)中的直流電壓在DC600V及以上的變流器設(shè)備中。在地鐵車輛的牽引系統(tǒng)中，IGBT部件的重要性不言而喻，如果IGBT出現(xiàn)故障勢(shì)必會(huì)影響地鐵車輛的運(yùn)營(yíng)性能和安全。基于此，有必要對(duì)IGBT故障原因進(jìn)行分析。本文基于地鐵牽引架控系統(tǒng)，對(duì)IGBT擊穿故障進(jìn)行詳細(xì)分析，找出故障原因。

1.IGBT基本原理

三十多年前，由于MOSFET和GTR有其自身的缺陷，比如導(dǎo)通壓降較高，驅(qū)動(dòng)的功率較大和工作的頻率比較低等問(wèn)題，這時(shí)候就需要研究制造出一款雙機(jī)理復(fù)合器件[1]來(lái)解決這些缺陷和問(wèn)題，IGBT此時(shí)應(yīng)運(yùn)而生，其結(jié)構(gòu)也是一種復(fù)合結(jié)構(gòu)，是將一個(gè)具有較低電壓的MOSFET 疊加一個(gè)電壓高電流大的GTR組合而成，這樣的一款器件同時(shí)解決了上述單一器件的缺陷和問(wèn)題，為在地鐵車輛的牽引變流系統(tǒng)中大量應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的支撐，同時(shí)也解決了牽引變流系統(tǒng)中核心部件的缺陷問(wèn)題，下面主要從其開(kāi)通過(guò)程和關(guān)斷過(guò)程兩個(gè)方面來(lái)解釋其基本原理。

1.1 開(kāi)通過(guò)程

基片在應(yīng)用時(shí)，在管體的兩個(gè)區(qū)域共同形成了一個(gè)J1結(jié)（P+區(qū)和N+區(qū)）。 在正柵偏壓的情況下，柵極的下面有反演的P基區(qū)，這時(shí)N溝道就形成了，伴隨著電子流也相應(yīng)地產(chǎn)生了，這種是完全按功率 MOSFET方式來(lái)的，一股電流也就產(chǎn)生了[2]。同時(shí)這個(gè)電子流產(chǎn)生了電壓，大約在0.7V左右，這將最終導(dǎo)致J1出現(xiàn)一個(gè)正向的偏壓，一些空穴會(huì)注入在N-區(qū)內(nèi)，同時(shí)陰極和陽(yáng)極兩者之間的電阻率會(huì)進(jìn)行一系列調(diào)整。這種模式的出現(xiàn)，功率導(dǎo)通的總的損耗被降低了，同時(shí)第二個(gè)電荷流也由此產(chǎn)生。最終結(jié)論是在半導(dǎo)體的內(nèi)部層次中臨時(shí)出現(xiàn)了兩種不同類型的電流拓?fù)?，一個(gè)為電子流（MOSFET電流），一個(gè)為空穴電流（雙極）[3]，這兩種電流拓?fù)錁?gòu)成了開(kāi)通的主要工作過(guò)程。

1.2 關(guān)斷過(guò)程

關(guān)斷過(guò)程中，在柵極處施加一個(gè)負(fù)偏電壓，或者柵壓低于規(guī)定的限制值時(shí)，在溝道中會(huì)被禁止，N-區(qū)中并沒(méi)有空穴注入，在每一種情形中，假如MOSFET電流在開(kāi)關(guān)時(shí)就出現(xiàn)迅速下降，這時(shí)集電極的電流就會(huì)慢慢降低，這就是在換向開(kāi)始后，N層中還會(huì)有少量的載流子，即少子[4]。這種情形下，殘余電流值，即尾流會(huì)出現(xiàn)降低，這完全取決于其在關(guān)斷時(shí)的電荷密度，同時(shí)密度又和幾個(gè)因素相關(guān)，比如，層次的溫度、厚度，還包括摻雜質(zhì)的數(shù)量等等，以上就構(gòu)成了關(guān)斷過(guò)程，在開(kāi)通和關(guān)斷的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了變流器變流的功能。

2.TC1420平臺(tái)牽引輸出及IGBT排布

2.1 牽引變流器輸出三相

牽引逆變器將1500VDC直流轉(zhuǎn)化成變頻變壓的交流電，通過(guò)IGBT完成逆變電源輸出，此為地鐵車輛最常見(jiàn)的的變流系統(tǒng)。

2.2IGBT模塊

IGBT模塊由多個(gè)部分組成，樹(shù)脂包圍外殼，里面嵌有端子、電極，同時(shí)還有樹(shù)脂鑲件。芯片以及續(xù)流二極管同時(shí)埋置在模塊中，并焊在一起，置于DCB襯板上，同時(shí)芯片與芯片之是用超聲鍵合線來(lái)連接的。模塊內(nèi)部的主要有許多部件，如DCB襯板、芯片和底銅板。在這些部件中，芯片和DCB襯板之間、DCB襯板與底銅板的連接方式為焊料相接，DCB襯板的結(jié)構(gòu)三部分，為上銅層，陶瓷層和下銅層。一個(gè)牽引逆變器模塊包含多個(gè)IGBT模塊，包括過(guò)壓斬波IGBT和相IGBT。

3.實(shí)際項(xiàng)目調(diào)試過(guò)程中的故障

在上海浦東機(jī)場(chǎng)捷運(yùn)項(xiàng)目調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)MP1車TCMM箱牽引報(bào)GDU6反饋故障，檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)GDU的IGBT C腳、G腳擊穿，檢查箱體后發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)IGBT對(duì)應(yīng)的電流傳感器插頭松脫，重新插緊插頭后，故障消除，車輛運(yùn)行正常，以下是對(duì)該次故障的分析。

4.原因調(diào)查分析

4.1電氣檢查

IGBT1 外觀檢查無(wú)異常，無(wú)明顯燒灼痕跡。

2測(cè)試壓降，發(fā)現(xiàn)IGBT6門極擊穿（圖2紅圈部分），電壓導(dǎo)通。

GDU外觀檢查無(wú)異常，通電測(cè)試，未發(fā)現(xiàn)異常。

4.2 原因分析

造成IGBT的擊穿的原因主要有過(guò)壓、過(guò)流和短路。而在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試出的網(wǎng)壓顯示牽引系統(tǒng)供電電壓均處于正常狀態(tài)，故考慮短路和過(guò)流這兩種原因。

IGBT短路主要有以下兩種：

橋臂內(nèi)短路（直通），這種情況又可已分為幾種情形，一種為命名為“一類”的短路，一種為硬件電路失效或軟件失效，還有一種是在短路回路中存在的電感值很小，為納亨級(jí)。

橋臂間短路（大電感短路），這種情況也以可分為幾種情形，一種為命名為“二類”的短路，一種相間短路或者相對(duì)地短路，還有一種是在短路回路中存在的電感值稍小，也為納亨級(jí)，這些都是根據(jù)電流變化率來(lái)定義的，這類短路的回路中電感量是不確定的。

研究顯示，門極電壓在增高的同時(shí)短路電流倍數(shù)也會(huì)增高，相應(yīng)地所允許的短路時(shí)間會(huì)變少。如果情況相反，短路所允許時(shí)間將會(huì)變長(zhǎng)。在短路發(fā)生時(shí)如果門極電壓在降低，IGBT中的短路電流也會(huì)隨之下降，所能容忍的時(shí)間會(huì)越來(lái)越長(zhǎng)[5]。

防止IGBT短路的解決方法是在IGBT前端設(shè)置驅(qū)動(dòng)電路，即GDU門級(jí)驅(qū)動(dòng)單元，根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)擊穿后的IGBT所對(duì)應(yīng)的GDU進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)GDU并無(wú)損壞，故認(rèn)為IGBT的擊穿并非短路所引起的，所以造成IGBT擊穿的只有過(guò)流這一種原因。

IGBT過(guò)流的實(shí)質(zhì)表現(xiàn)為回路電感較大，在此種情況下電流上升相對(duì)于短路而言比較緩慢，IGBT退出飽和的現(xiàn)象不會(huì)出現(xiàn)，但此時(shí)電流比正常工況高得多，因此經(jīng)過(guò)若干個(gè)開(kāi)通和關(guān)斷后，IGBT的損耗出現(xiàn)一個(gè)比較高的數(shù)值，結(jié)溫上升得較為迅速，從而導(dǎo)致?lián)舸?。與此同時(shí)，IGBT驅(qū)動(dòng)器不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象并予以處理，原因在于IGBT飽和壓降的變化微乎其微，驅(qū)動(dòng)器在正常情況下識(shí)別不到這種變化，這時(shí)電流傳感器對(duì)于分析過(guò)流故障起到了支撐作用，因?yàn)榭梢杂闷鋪?lái)感知電流數(shù)值的大小，這樣也起到了相應(yīng)的保護(hù)作用。該項(xiàng)目中U、V、W三相IGBT在各自對(duì)應(yīng)的電流傳感器接線正常的情況下相電流矢量和應(yīng)為零，而此時(shí)現(xiàn)場(chǎng)電路中一相電流傳感器插頭松脫，造成另外兩相的相電流矢量和不為零，該項(xiàng)IGBT也失去了保護(hù)，在大電流的沖擊下最終導(dǎo)致其被擊穿，現(xiàn)場(chǎng)將松脫的電流傳感器插頭插上后故障消除。

5.結(jié)論

牽引架控系統(tǒng)IGBT模塊擊穿的原因分析可按照本文列出的原因進(jìn)行逐項(xiàng)排查，最終得出故障的根本原因，該方法可以在現(xiàn)場(chǎng)處理IGBT擊穿故障時(shí)采用，為排除IGBT故障提供了實(shí)用的解決方法和操作方案。在地鐵車輛的牽引系統(tǒng)中，一般的IGBT故障通過(guò)以上的排查可以快速找到故障點(diǎn)，大大提高了現(xiàn)場(chǎng)的故障排查效率，這對(duì)于地鐵車輛的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)有著積極和現(xiàn)實(shí)的意義，在地鐵車輛上可以廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]吳紅奎IGBT基礎(chǔ)與應(yīng)用實(shí)務(wù)[M]，科學(xué)出版社，2010，22-27.

[2]安德列亞斯 福爾克 麥克爾，郝康普 IGBT模塊：技術(shù)、驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用[M]，機(jī)械工業(yè)出版社，2016，52-56.

[3]龔熙國(guó) 高壓IGBT模塊應(yīng)用技術(shù)[M]，機(jī)械工業(yè)出版社，2015，32-35.

[4]周志敏IGBT驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路設(shè)計(jì)及應(yīng)用電路實(shí)例[M]，機(jī)械工業(yè)出版社，2014，34-39.

[5] 郁洪良，李躍水，白繼彬，趙善麒，楊旭IGBT器件產(chǎn)業(yè)化路線圖研究--基于路線圖理論的分析[M]，科學(xué)出版社，2014，121-123.