地鐵牽引系統(tǒng)IGBT失效實例分析及可靠性提升措施

周 勇

(江蘇經(jīng)緯軌道交通設備有限公司，江蘇 蘇州 215104)

地鐵牽引系統(tǒng)主要由牽引變流器、輔助電源、牽引電動機、制動電阻構成，為適應地鐵運行時頻繁啟動、加速、制動的工況，牽引系統(tǒng)經(jīng)常在短時過載工況下工作，導致牽引變流器頻繁輸出大電流。在頻繁的寬幅電壓和電流沖擊及溫度、濕度、鹽霧、粉塵、振動等環(huán)境應力的疊加沖擊下，牽引系統(tǒng)保持高可靠性工作面臨巨大挑戰(zhàn)。

根據(jù)國內(nèi)外行業(yè)應用數(shù)據(jù)，牽引系統(tǒng)電氣相關失效重點器(部)件主要集中在功率半導體(國內(nèi)超過99%的地鐵項目使用IGBT作為功率器件)、控制器(電子板卡類)、支撐電容、電動機軸承、電動機絕緣、開關類觸頭(高速斷路器、線路接觸器等)部分。上述器(部)件失效的根本原因均不同且復雜，尤以廣泛使用的功率半導體IGBT失效原因最難排查分析。

1 IGBT失效率統(tǒng)計

以蘇州地鐵2號線列車牽引系統(tǒng)為例，列車采用國內(nèi)唯一的5輛車編組方式，編組形式為：Tc(拖車)+Mp1(動車)+M(動車)+Mp2(動車)+Tc(拖車)。列車最大運行速度為80 km/h，平均旅行速度為35 km/h，采用DC 1 500 V制式供電。

牽引逆變器拓撲結構采用2電平經(jīng)典拓撲結構，1臺牽引變流器驅(qū)動4臺異步電動機驅(qū)動方式。拓撲結構如圖1所示。

IT1、IT2、IT3、IT4、IT5、IT6.功率器件；FVMD.直流側(cè)電壓檢測裝置；ACMD、BCMD.交流側(cè)電流檢測裝置；PH1、PH2、PH3.交流三相輸出；ABVMD、ACVMD.交流輸出電壓檢測裝置；M1-1、M1-2、M2-1、M2-2.牽引電動機。

該型地鐵列車于2013年底正式開通運營，列車運營半年后，出現(xiàn)IGBT失效率偏高的情況，具體統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1所示。由表1可以看出，發(fā)生IGBT失效的車號分布廣，在不同動車車型上都有發(fā)生，IGBT失效發(fā)生的具體位置均離散且無規(guī)律，且在幾個月時間發(fā)生失效的概率過高。

表1 蘇州地鐵2號線列車IGBT失效統(tǒng)計

IGBT失效率通常為100FIT(FIT指正常工作的產(chǎn)品在規(guī)定時間之后，產(chǎn)品中喪失其規(guī)定的功能的產(chǎn)品所占比例)左右[1]。由于IGBT屬于失效后不可修復器件，不可以用平均故障間隔時間(MTBF)來描述其平均壽命，只能用平均失效前時間(MTTF)來描述。將FIT表示的IGBT失效率轉(zhuǎn)化為MTTF，其值為107h。通過對理論可靠性數(shù)據(jù)與實際失效數(shù)據(jù)進行比對，發(fā)現(xiàn)實際失效率遠高于理論數(shù)值。

2 IGBT失效原因排查

IGBT失效的主要原因分為6類，具體分類見圖2。本文中IGBT型號為FZ1500R33HE3，在行業(yè)內(nèi)有廣泛應用，其在國內(nèi)其他項目應用中未反饋故障率高，且上述統(tǒng)計中IGBT失效的位置呈現(xiàn)散點分布，無明顯規(guī)律性。

Uce.集電極-發(fā)射極電壓；Uge.柵極-發(fā)射極電壓；du/dt.電壓變化率；ESD.靜電釋放；di/dt.電流變化率。

依據(jù)IGBT失效主要原因分類和發(fā)生失效的現(xiàn)象及初步分析，確定4個排查方向，即制造端裝配質(zhì)量和工藝排查、應用設計排查、驅(qū)動和保護排查、器件批量制成問題排查，需對這幾個可能造成IGBT提前失效的方向進行逐一排查。

2.1 制造端裝配質(zhì)量和工藝排查

首先分析產(chǎn)品制造端裝配質(zhì)量和工藝可能造成IGBT失效的原因，并對發(fā)現(xiàn)的問題進行整改， 具體排查重點包括：靜電釋放、機械應力沖擊、安裝力矩偏差、螺栓緊固工序、導熱硅脂厚度超差以及散熱器安裝面平面度超差或結構損傷。

經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)存在部分制造端裝配問題，針對發(fā)現(xiàn)的問題，采取以下整改措施：

(1) 通過加強工人操作規(guī)范性，杜絕個別違規(guī)操作現(xiàn)象，確保IGBT安裝中沒有受到人為操作造成的靜電釋放損傷和機械應力沖擊；

(2) 通過工序、工藝檢查，確保裝配工人安裝螺栓緊固順序正確，緊固力矩滿足工藝要求；

(3) 通過購買設備(導熱硅脂自動涂覆機)替代人工涂覆操作，杜絕人為操作錯誤和失誤，保證導熱介質(zhì)厚度和均勻度達到熱阻的最佳設計值；

(4) 通過加強供應商來料檢測和裝配前檢查，保證散熱器安裝面的平面度滿足設計公差，安裝面無劃痕、凹點等缺陷。

2.2 應用設計排查

制造端裝配質(zhì)量和工藝排查整改過后，IGBT失效問題仍時有發(fā)生，說明沒有從根本上解決問題。與制造原因排查同時進行的應用設計排查主要從以下4個方面進行：器件選型設計、電流沖擊超限、電壓沖擊超限、溫度沖擊超限。

現(xiàn)場檢測列車負載周期內(nèi)的電流沖擊、電壓沖擊、溫度沖擊，與設計值、器件安全工作區(qū)耐受值進行比對，分析判斷失效是否由上述3種沖擊之一或疊加造成。列車正線運行時的牽引負載周期見圖3。

圖3 蘇州地鐵2號線列車正線運行時的牽引負載周期

圖3中藍色方框為列車途經(jīng)站點，從上述列車運行時的牽引負載周期可以看出，列車牽引系統(tǒng)頻繁短時過載。列車運行全程電網(wǎng)電流的有效值為756 A，峰值為2 400 A，牽引工況下每臺牽引電動機電流有效值為91 A，制動工況下每臺牽引電動機電流有效值為114 A；每臺牽引電動機的相電流峰值可達200 A。

上述牽引負載均屬于行業(yè)平均水平，不存在超過行業(yè)正常應用的特殊(惡劣)工況。通過正線列車運行實際數(shù)據(jù)與設計值比對，沒有發(fā)現(xiàn)超出安全工作區(qū)的電流和電壓沖擊。

根據(jù)列車正線運行的負載周期，代入熱仿真工具可得到表2數(shù)據(jù)。通過對比熱設計邊界(125 ℃)、器件標稱工作溫度限值(150 ℃)和上述實測散熱器溫度(92 ℃)及熱成像，功率器件的熱設計裕量預留合理，散熱設計符合設計要求，沒有發(fā)現(xiàn)溫度沖擊超過設計限值的情況。綜合判斷電壓沖擊、電流沖擊、溫度沖擊均在器件的安全工作區(qū)內(nèi),因此IGBT的應用設計選型沒有問題。

表2 牽引功率單元工作循環(huán)溫度仿真結果 ℃

2.3 驅(qū)動和保護排查

本項目IGBT驅(qū)動采用光耦隔離驅(qū)動方式，抗干擾性強，采用高速多級保護策略，經(jīng)過國內(nèi)外長時間的項目應用考驗，存在問題的可能性很小。即便如此，為了排查失效原因，重新進行了以下相關試驗：過壓保護試驗、過流保護試驗、短路保護試驗、du/dt保護試驗、di/dt保護試驗、過溫保護試驗。

經(jīng)上述試驗驗證，全部保護參數(shù)和動作設計合理，未發(fā)現(xiàn)與實際失效現(xiàn)象相關的驅(qū)動和保護問題。

2.4 器件批量制成問題排查

除了制造端裝配質(zhì)量和工藝、應用設計、驅(qū)動和保護外，器件批量制成問題也會造成IGBT應用失效。如果是器件批量制成問題，邏輯上應該還有其他項目出現(xiàn)類似問題。對比同型號、同批次IGBT在3個不同城市(蘇州、新加坡、慕尼黑)地鐵應用中的失效率，發(fā)現(xiàn)失效率在全年12個月中隨著應用環(huán)境溫度和濕度變化呈現(xiàn)不同趨勢，見圖4。

圖4 同型號、同批次IGBT在3個城市地鐵應用中的失效率

如圖4(a)所示，蘇州全年濕度總體較高，6～10月月平均濕度在較高的基礎上還有小幅提高，月平均濕度達到75%；月平均溫度呈現(xiàn)“凸”形趨勢，IGBT失效率曲線與溫度曲線呈現(xiàn)相同趨勢。從圖4(b)中可以看出，新加坡全年高溫、高濕，在該環(huán)境下IGBT失效率全年處于高峰值水平；IGBT失效率曲線和溫度曲線、濕度曲線呈現(xiàn)相同趨勢。從圖4(c)中可以發(fā)現(xiàn)，慕尼黑1—12月濕度曲線呈現(xiàn)“凹”形趨勢，溫度曲線呈現(xiàn)“凸”形趨勢，但溫度曲線高溫峰值低于18 ℃，在該環(huán)境下IGBT失效率全年處于低值。在不同應用環(huán)境下，IGBT失效率曲線與溫度曲線、濕度曲線趨勢完全不同。

綜合上述同型號、同批次IGBT在不同應用環(huán)境條件下的表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：高溫、高濕疊加工況下IGBT失效率明顯增高。為了進一步驗證上述結論，蘇州售后現(xiàn)場針對IGBT失效的時間、天氣、運營里程進行了統(tǒng)計(表3)，并分析了IGBT失效率與溫度、濕度的關系(圖5)。

圖5 IGBT失效率與溫度、濕度關系

表3 同型號、同批次IGBT在不同應用環(huán)境下失效統(tǒng)計

依據(jù)上述統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)生失效當天，全部是高濕度天氣(雨天、多云、陰天)，且57%的失效出現(xiàn)在高溫季節(jié)(5～10月)，43%的失效出現(xiàn)在非高溫季節(jié)，經(jīng)查詢失效當日氣溫，也為高出月平均氣溫的異常高溫。據(jù)此可以初步判定：高濕度和高溫度是導致IGBT失效的外部原因。

由于同型號、不同批次的IGBT未出現(xiàn)上述統(tǒng)計規(guī)律，上述分析的結果并不能從根本上解釋失效原因。根本原因分析進一步導向器件批量制成問題。為此，與IGBT制造企業(yè)進行協(xié)同分析，得到IGBT制造企業(yè)反饋，該批次產(chǎn)品與其他批次同型號產(chǎn)品主要差異如下：

(1) 芯片與散熱基板之間的陶瓷襯板厚度相對于同型號其他批次略有縮減(0.2 mm)，陶瓷襯板位置見圖6。

(2) 封裝填充的耐高溫有機硅凝膠(圖6中的硅膠)與其他批次的型號成分存在差別，主要體現(xiàn)在防水性能方面(防水性能下降)。

圖6 IGBT結構示意圖

綜上，IGBT失效的原因為：IGBT單一批次更改設計導致該批次產(chǎn)品封裝的防水性能和內(nèi)部絕緣性能下降，在高溫和高濕環(huán)境應力疊加作用下，異常批次產(chǎn)品的耐高溫有機硅凝膠無法抵御空氣中水分侵入，造成器件內(nèi)部絕緣環(huán)境劣化，加之絕緣陶瓷襯板變薄，進一步減低了器件的絕緣性能，導致IGBT失效。在上述四重因素疊加下，即使對器件的控制和保護做到科學合理也無法對內(nèi)部絕緣失效的IGBT進行有效保護，最終導致IGBT失效率大幅增高。

3 可靠性提升措施

為減少IGBT失效率，提高IGBT可靠性，可采取以下措施：

(1) 針對外部原因造成的溫度和濕度“雙高”的工作環(huán)境條件進行人為干預。在防護等級為IP55的箱體內(nèi)部增加干燥劑，使牽引逆變器箱體內(nèi)工作的IGBT避免高溫和高濕2種工況的疊加，人工制造“小環(huán)境”，并對干燥劑進行定期檢查和更換。

(2) 針對器件本身的內(nèi)部原因，更換非問題批次IGBT器件。

(3) 新產(chǎn)品研發(fā)在技術、經(jīng)濟都可行的前提下，提高牽引逆變器箱體非冷卻風道區(qū)(封閉區(qū))防護等級；在箱體內(nèi)部設置主動除濕裝置；箱體封閉區(qū)(電氣、電子元件工作區(qū))改造為惰性氣體正壓艙，排除空氣中對絕緣不利的水分和對元器件有氧化作用的氣體成分；新IGBT或成熟應用但經(jīng)過設計改動的IGBT在應用前必須進行有效的可靠性測試或小批量試點驗證，通過后可大批量應用。

通過采取第1項整改措施，IGBT失效率明顯降低，達到運營考核要求。但由于之前累積的濕度侵入，還是有少部分失效延續(xù)。通過采取第2項整改措施，可徹底解決IGBT異常失效的問題，使IGBT失效率與國內(nèi)其他項目IGBT正常失效率持平，事實證明整改措施合理、有效。第3項措施從改善電氣、電子元器件工作環(huán)境入手，可有效地抑制IGBT絕緣劣化和氧化，提升系統(tǒng)的電氣可靠性，延長系統(tǒng)的使用壽命。

4 總結

IGBT作為地鐵牽引系統(tǒng)的核心器件，控制和保護技術難度大，在實際應用中，造成其失效原因繁多、復雜，且存在多種因素疊加，為分析失效原因造成諸多困難。本文通過問題排查的方式最終找到了導致IGBT失效的根本原因，并提出了可靠性措施，可為行業(yè)內(nèi)IGBT失效分析提供參考。