高速动车组牵引变流器功率模块故障的研究

吴 楠 金文斌 张君颖

(中车长春轨道客车股份有限公司，130113，长春∥第一作者，工程师)

运行于京沪客运专线及其支线的某高速动车组(以下称为“案例动车组”)自投入运营以来，经常发生牵引变流器功率模块故障，影响了列车的正常稳定运行。为了解决这一问题，本文针对案例动车组的牵引变流器功率模块(以下简为“功率模块”)故障进行研究，分析故障发生的原因，从而找到解决问题的办法。

1 功率模块故障的描述

发生功率模块故障时，案例动车组运行工况皆为正常工况，采用正常运行模式，且动车组运行速度为300 km/h。

高速动车组功率模块包括整流模块与逆变模块，其主要用于对牵引用单相交流电的整流与逆变。首先，牵引变流器内部的4QC(四象限整流器)将来自变压器的单相交流电转换成直流电；然后，由PWMI(电机变流器模块)将该直流电转换成电压幅值、频率可变的三相交流电，以供给三相交流异步牵引电机。牵引变流器通过对4QC和PWMI的控制来实现列车的牵引、调速和制动[1]，通过对逆变器输出电流幅值及频率的控制来实现对电机转矩及转速的控制。

进一步分析可知，功率模块实质上是通过组装在整流模块与逆变模块的IGBT(绝缘栅双极型晶体管)元件门极控制，来实现对电流的整流逆变功能。高速动车组采用IGBT作为开关器件的调制器和高压电源，具有效率高、体积小、质量轻、可靠性高、易模块化设计等优点，其使用和维护费用也较低。但IGBT的驱动电路要求驱动能力强、保护迅速有效[2],若功率模块发生故障，导致牵引变流器控制门极关闭，则牵引变流器停止工作，造成不能输出牵引故障。

2 功率模块的故障原因

2.1 功率模块的控制原理

如图1所示，故障阶段，功率模块的逻辑控制原理为：自IGBT元件上下桥臂门极指令信号关闭开始至上下桥臂门极指令信号接通的时间t1固定为10.0 μs，且上、下桥臂门极指令不能同时接通。

图1 故障阶段功率模块的逻辑控制原理

2.2 故障原因分析

2.2.1 非重叠时间过短

根据图1的情况：上桥臂门极反馈信号关闭并经过一定的非重叠时间后，下桥臂的门极指令信号接通，随后下桥臂门极启动；上桥臂门极启动同理。

目前，t1设定为10.0 μs的功率模块逻辑控制,虽能满足正常的桥臂门极启动要求，但一旦实际非重叠时间极短，就会发生逻辑判断失效。因此，非重叠时间过短可能是引起功率模块故障的原因之一。

根据这一推理，对案例动车组的故障数据进行分析发现，功率模块IGBT元件上下桥臂门极动作存在非重叠时间极短的现象。某次功率模块发生故障时的监控器数据如图2所示。

图2 某次功率模块发生故障时的监视器数据截图

根据图2，当故障发生时，实际的非重叠时间仅为2.0 μs。这虽不至于造成IGBT短路，但2.0 μs远小于原设想的5.0 μs。因此，可能存在自身桥臂及上下桥臂主电路动作的状况。

基于数据分析，绘制功率模块故障发生时的主电路电流流过方向和IGBT开关状态如图3所示。

由图3分析IGBT元件关断动作失败的情况：

注：BD事故指IGBT被击穿。

1)逆变器U相上桥臂IGBT元件在ON动作中，开始关断动作。

2)在正常情况下，当上桥臂IGBT元件关断后(即IGBT元件反馈信号变为OFF状态后)，下桥臂IGBT元件开始导通动作。而故障情况下,当下桥臂IGBT元件变为ON状态时(即IGBT元件反馈信号变为ON状态时)，OFF状态的上桥臂IGBT元件突然变为ON状态，发生主电路短路。

为了进一步分析功率模块发生故障时的IGBT元件关断动作，本研究特意测量了主电路电流及电压特性。测量位置见图4，测量结果见图5。

注：Vce为IGBT电压；Ige为门极驱动电流。

图5 测量结果截图

由图4及图5可见，从上下桥臂中的任一桥臂关断门极电流流出后到另一方桥臂导通门极电流流出前，时间间隔约为4.5 μs。然而，从原理上讲，IGBT模块的遮断电流越小，集电极电压的上升及门极电流遮断需要的时间就越长。故由图5所示测量结果判定：在集电极电流遮断前，另一方的IGBT导通；其结果是关断动作中的IGBT集电极电压发生急剧变化。急剧变化的集电极电压对IGBT门极等造成不良影响，以至于影响了IGBT的门极耐压劣化和门极误动作等。

分析上述结果可知，IGBT元件的关断失败极可能是由集电极电压急剧变化引起的门极误动作所导致，而集电极电压的急剧变化很有可能是非重叠时间过短导致。

2.2.2 IGBT元件门极突然启动

通过对另外一起故障数据分析发现，当IGBT元件门极处于关断(OFF)状态且未得到接通指令时，IGBT元件门极突然执行接通(ON)指令转为启动状态。IGBT元件门极突然启动的信号变化情况如图6所示。

图6 IGBT元件门极突然启动时的信号变化情况

IGBT元件门极突然启动时的主电路电流流过方向和IGBT开关状态如图7所示。

图7 IGBT元件门极突然启动示意图

由图7可见，逆变器U相上桥臂IGBT元件在OFF指令输入状态下突然变为ON(启动)状态，进而使主电路发生短路，引发功率模块故障。进一步分析故障发生过程如下：

1)从事故数据看，当逆变器U相上桥臂IGBT元件突然变为ON时，故障的IGBT元件只有OFF指令的输入。

2)其他相(V相及W相)的上下桥臂没有开关切换。由此推测，不存在由其他相开关引起干扰导致的门极误动作或逻辑故障等。当故障发生后，更换的功率模块能运转正常。故本文推测，牵引变流器本体及逻辑不存在问题，故障的原因在于IGBT单体。

3)进一步分析可知，在图4的状态中，故障IGBT元件的发射极-集电极间加载了和滤波电容器电压相同的电压(约2 600 V)。在此状态下，IGBT芯片上有极少量的漏电电流流过。由此推测，IGBT模块的漏电电流较大，使芯片局部发热，导致发生IGBT击穿。此较大的漏电电流是由难以避免的芯片制造误差所致。芯片组装到装置上后，其制造误差不会随装置运行时间增加而增加。

由运行时间与事故发生频度的关系推断，IGBT元件门极突然启动现象，是由IGBT元件的初期良品率不佳造成的。

2.2.3 天气因素对故障的影响

统计故障数据可发现，高温天气期间(7月—10月)是功率模块的故障多发期。由此可以推断，较高的环境温度也可能是功率模块发生故障的原因。

根据对所有故障数据的分析发现，所有功率模块故障均为非重叠时间较短或IGBT元件门极突然启动导致，尚没有仅由高温导致的功率模块故障数据。综合考虑夏季运行的实际情况，当车内空调及车上散热风机高负荷运行时，牵引变流器更易发生非重叠时间较短与IGBT元件门极突然启动的情况。由此可以推断，高温天气条件只是导致功率模块故障的间接因素，而非根本性因素。

3 解决办法

3.1 通过软件更改非重叠时间

针对非重叠时间过短的情况，为确保集电极电流有充分的遮断时间，采取修改功率模块控制逻辑的方法。将控制逻辑中原来的“t1固定为10.0 μs”更改为：门极反馈关闭开始经过5.0 μs后，接通上下桥臂门极指令信号(如图8所示)。

a)原方案

修改功率模块控制逻辑后，测量IGBT元件关断时的主电路电流及电压特性，结果如图9所示(测量位置和图5相同)。从图9可见，关断动作中集电极电压急剧变化的现象已消失。

对比图9及图5可见，修改IGBT元件门极非重叠时间的逻辑控制，能有效防止IGBT的劣化及门极误动作，去除IGBT关断动作失败引起的功率模块故障事故。

图9 软件更改后的测量结果

3.2 更换出现问题的功率模块

针对IGBT元件门极突然启动故障，可通过更换出现问题的功率模块并剔除不良产品来解决。

4 结语

本文针对某型高速动车组频发的牵引变流器功率模块故障进行故障原因分析。对于因产品初期批次质量问题导致的模块故障，通过淘汰发生故障的功率模块来剔除不合格产品；对于由IGBT门极非重叠时间过短导致的功率模块故障，可通过变更逻辑控制的方法，有效防止IGBT的门极误操作，实现门极非重叠时间的合理控制，从而有效减少功率模块故障的发生。实践情况证明，变更逻辑控制的方法，既能有效减少故障功率模块的更换次数，大大节约检修成本，又降低了线路运行的故障率，对高速动车组的安全运营具有重大意义。