廣州地鐵A2型車牽引系統(tǒng)IGBT換型分析

李兆新

（廣州地下鐵道總公司，廣東廣州 510310）

1 概述

廣州地鐵A2型車采用4動(dòng)2拖六節(jié)編組的A型地鐵車輛，主要應(yīng)用于廣州地鐵一號(hào)線和八號(hào)線。隨著車輛運(yùn)營年限的增加以及負(fù)載的加大，近幾年來在正線運(yùn)行過程中IGBT常發(fā)生故障爆裂的情況，輕則使?fàn)恳到y(tǒng)不能正常工作，重則引起接觸網(wǎng)跳閘，給車輛運(yùn)營帶來較大影響。

本文基于A2型車牽引逆變器（MCM模塊）的IGBT故障分析，以及可靠性和全壽命分析，提出對(duì)現(xiàn)有IGBT進(jìn)行換型改造。

2 IGBT故障分析

牽引逆變器（MCM模塊）是列車牽引系統(tǒng)的核心，將1 500 V直流電逆變成頻率和電壓可調(diào)的三相交流電，平行供給4臺(tái)交流鼠籠式異步牽引電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的調(diào)速，完成列車牽引功能[1]。而IGBT是MCM模塊最為重要的功率元器件，隨著列車使用年限的增加，IGBT故障爆裂的現(xiàn)象逐漸增多，現(xiàn)對(duì)其故障進(jìn)行分析。

2.1 電流因素分析

近幾年，隨著列車部件老化和載客量越來越大，需要列車牽引電機(jī)輸出更大的扭矩。通過公式Q=I·I·R·t可知，IGBT的發(fā)熱量由它本身的內(nèi)阻、通過的電流以及時(shí)間決定。電機(jī)扭矩T=i·e/w，在轉(zhuǎn)速和電機(jī)的固有屬性不變的情況下，扭矩越大，電流也越大，從而IGBT的發(fā)熱量Q也越大，當(dāng)發(fā)熱量持續(xù)超過IGTB的散熱能力時(shí)，勢(shì)必會(huì)造成IGBT的損壞爆裂。

2.2 絕緣阻值因素分析

目前公司內(nèi)并無有效檢測(cè)手段，用搖表分別對(duì)新舊IGBT進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)情況如表1所示。新舊IGBT都可以正常導(dǎo)通和關(guān)斷，但是關(guān)斷時(shí)，新舊IGBT的CE極之間的電阻值不同（絕緣阻值越高，漏電流越小）。新件IGBT的絕緣阻值在2 500 MΩ以上，而舊件IGBT的絕緣阻值在1 200 MΩ以下，所以IGBT使用年限增加，其漏電流越大，意味著發(fā)熱也越厲害，IGBT損耗增加。

表1 現(xiàn)有新舊IGBT檢測(cè)

3 IGBT可靠性和全壽命分析

3.1 故障統(tǒng)計(jì)

選取20列一直在廣州地鐵八號(hào)線運(yùn)行的列車，并從2005年全面投入使用，并開始統(tǒng)計(jì)A2型車IGBT故障，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，IGBT故障從2009年開始明顯上升，往后各年份的月平均故障次數(shù)約為1次。

表2 IGBT故障次數(shù)

3.2 可靠性計(jì)算[2]

假設(shè)產(chǎn)品總數(shù)為N0，從時(shí)刻t0開始使用，到時(shí)刻t有N（t）個(gè)產(chǎn)品發(fā)生故障，余下Ns個(gè)產(chǎn)品未發(fā)生故障。顯然，N（t）和Ns是時(shí)間的函數(shù)，記作N（t）和Ns（t）。

由可靠度定義可知

R（t）=Ns（t）/N0=[N0-N（t）]/N0

同樣，經(jīng)驗(yàn)故障分布函數(shù)為

F（t）=N（t）/N0

所以，R（t）=1-F（t）。

20列A2型車逆變相IGBT共計(jì)480個(gè)，即N0=480；再根據(jù)表2的IGBT各年份故障次數(shù)，可計(jì)算得出IGBT的可靠度，如表3所示，IGBT在使用5年之后，其可靠度開始明顯下降。IGBT在使用8年之后，其可靠度已低于88%。

3.3 IGBT壽命分析

常見的部件壽命分布函數(shù)有指數(shù)分布、威布爾分布、（對(duì)數(shù)）正態(tài)分布等。確定零部件的分布類型具有重要意義，而如電容器、滾珠軸承、繼電器、開關(guān)、斷路器、電子管、電位計(jì)、電動(dòng)機(jī)、功率器件、蓄電池、材料疲勞等符合威布爾分布函數(shù)，因此對(duì)IGBT進(jìn)行壽命分析應(yīng)選用威布爾分布函數(shù)，其計(jì)算公式如下。

威布爾分布函數(shù)：

可靠度函數(shù)：

平均壽命：

根據(jù)表3，可得出表4中計(jì)算結(jié)果。通過MATLAB用最小二乘法將表5中的橫、縱坐標(biāo)點(diǎn)擬合成一次線性方程，該方程為y=1.9997x-6.3574。很明顯，m=1.9997，可求得η=24.0270。所以IGBT的平均壽命=21.29年，即20列八號(hào)線車的IGBT發(fā)生故障的平均時(shí)間約為21.29年。

表3 IGBT可靠度計(jì)算

表4 IGBT壽命計(jì)算

4 IGBT換型分析

隨著A2型車使用年限的增加，現(xiàn)在使用的牽引逆變器功率元器件IGBT逐漸老化，其可靠性不斷下降，故障率越來越高。

因此，對(duì)牽引逆變器的功率元器件IGBT換型迫在眉睫。

通過對(duì)換型前后的IGBT參數(shù)對(duì)比，并與國內(nèi)有牽引逆變器設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的工程師的溝通與交流，可以將現(xiàn)有型號(hào)（FZ1200R33KF2C）的IGBT換型成新型號(hào)（FZ1500R33HE3）的、容量更大的同品牌IGBT[3]。其分析對(duì)比如下。

（1）IGBT導(dǎo)通損耗對(duì)比

現(xiàn)有IGBT Vcesat值為4.25 V左右，導(dǎo)通損耗為：

Pcond=D·Vcesat·Ic=D·4.25 V·1 200 A=5 100·D

圖1 現(xiàn)有IGBT-Vce曲線

圖2 換型后IGBT-Vce曲線

換型后的IGBT的Vcesat值為2.4 V左右，導(dǎo)通損耗：

圖3 現(xiàn)有IGBT-Ic曲線

Pcond=D·Vcesat·Ic=D·2.4 V·1 200 A=2 880·D

（2）IGBT開關(guān)損耗對(duì)比

現(xiàn)有IGBT的Vcesat值為4.25 V左右，導(dǎo)通損耗：

圖4 換型后IGBT-Ic曲線

圖5 現(xiàn)有IGBT-Vf曲線

圖6 換型后IGBT-Vf曲線

Pcond=D·Vcesat·Ic=D·4.25 V·1 200 A=5 100·D

換型后IGBT的VCEsat值為2.4 V左右，導(dǎo)通損耗：

Pcond=D·Vcesat·Ic=D·2.4 V·1 200 A=2 880·D

（3）IGBT續(xù)流二極管導(dǎo)通損耗

現(xiàn)有IGBT的二極管正向壓降值Vf=2.8 V，損耗為：

Pf=D·Vf·If=D·2.8 V·1 200 A=3 360·D

圖7 現(xiàn)有IGBT-If曲線

圖8 換型后IGBT-If曲線

換型后IGBT的二極管正向壓降值Vf=2.5 V，損耗為：

Pf=D·Vf·If=D·2.5 V·1 200 A=3 000·D

（4）IGBT續(xù)流二極管開關(guān)損耗對(duì)比

現(xiàn)有IGBT的Erec=1 650 mJ，二級(jí)管的開關(guān)損耗為：

Prec=fsw·Erec=1.650·fsw

換型后IGBT的Erec=1 450 mJ，二級(jí)管的開關(guān)損耗為：

Prec=fsw·Erec=1.450·fsw

（5）IGBT換型前后總損耗對(duì)比分析

現(xiàn)有IGBT的Psh=Pcond+Psw+Pf+Prec=5 100·D+3.7·fsw+3 360·D+1.65·fsw=8 460·D+5.35·fsw

換型后IGBT的Psh=Pcond+Psw+Pf+Prec=2 880·D+3.7·fsw+3 000·D+1.45·fsw=5 880·D+5.15·fsw

因此，在相同的測(cè)試環(huán)境下，使用相同的設(shè)備，在相同的頻率和占空比條件下對(duì)現(xiàn)有和換型后的IGBT模塊分別進(jìn)行溫升和開關(guān)損耗測(cè)試，發(fā)現(xiàn)換型后的IGBT模塊通過電流能力更高，發(fā)熱量明顯比現(xiàn)有的IGBT模塊發(fā)熱量更低，溫升明顯減小，損耗也更小，基本可以解決過流過載導(dǎo)致的牽引逆變器IGBT故障爆裂的問題。

5 總結(jié)及結(jié)論

廣州地鐵A2型車牽引逆變器功率元器件IG?BT模塊常因使用老化、過流等因素出現(xiàn)頻繁故障、爆裂的情況，對(duì)列車正線運(yùn)營造成較大影響。通過對(duì)IGBT故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及其歷年來的故障可靠性和壽命分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前使用的IGBT型號(hào)并不能滿足現(xiàn)在的使用要求，通過采取IGBT換型研究，即使用功率更大、內(nèi)阻更小、電流通過能力更強(qiáng)的IGBT，可有效解決該問題。

［1］長客－龐巴迪軌道車輛有限公司.廣州地鐵A2型電客車維修手冊(cè)［Z］.2006.

［2］董錫明.軌道列車可靠性、可用性、維修性和安全性（RAMS）［M］.北京：中國鐵道出版社，2009.

［3］英飛凌公司.IGBT用戶說明書［Z］.2012.