動車組充電機(jī)IGBT故障優(yōu)化方案

高志鵬

摘要：高效且能承受長的短路時間的IGBT的市場在不斷增長。現(xiàn)有的器件不能使器件設(shè)計者同時實(shí)現(xiàn)這兩個目標(biāo)。本文推薦的電路通過限制故障電流的幅值，延長了高效IGBT的短路承受時間。限制故障電流幅值獲得的另一個好處是減小了關(guān)斷時的瞬態(tài)電壓，尤其對大電流模塊更是如此.此外很大程度上抵消了不利的米勒效應(yīng)。當(dāng)故障電流是瞬態(tài)窄脈沖時，能使電路恢復(fù)正常工作，對噪聲干擾嚴(yán)重的系統(tǒng)，本限流電路具有特別理想的特性。

關(guān)鍵詞：動車組;充電機(jī);IGBT故障;優(yōu)化

1.問題描述

動車組，發(fā)生多起充電機(jī)故障停機(jī)，報故障代碼4495（充電機(jī)故障）、4401（充電機(jī)IGBT故障），斷電復(fù)位后故障消除。

2.原因分析

2.1控制原理（機(jī)理）/機(jī)械安裝結(jié)構(gòu)分析

充電機(jī)內(nèi)部由PM1和PM2兩個充電單元并聯(lián)構(gòu)成，分別對應(yīng)司機(jī)顯示屏的1#充電機(jī)和2#充電機(jī)，充電單元有各自獨(dú)立的控制器進(jìn)行邏輯控制和故障保護(hù)，PM1/PM2IGBT故障由PM1/PM2模塊控制器和驅(qū)動板檢測，驅(qū)動板對IGBT狀態(tài)及驅(qū)動電壓進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)檢測到IGBT短路、過流或者欠壓時，反饋故障信號給控制器，控制器進(jìn)行IGBT故障報警，隨后系統(tǒng)故障停機(jī)。

功率模塊PM1/PM2各擁有一套傳感器供電回路，由電源板上電源模塊產(chǎn)生，負(fù)責(zé)給傳感器提供穩(wěn)定供電電源。當(dāng)傳感器系統(tǒng)的供電產(chǎn)生（電源模塊）、供電傳輸或供電負(fù)載（傳感器）任一方出問題時，均可能導(dǎo)致傳感器系統(tǒng)功能失效，使得充電機(jī)主控板無法正常PWM控制，發(fā)生IGBT故障。

2.2現(xiàn)車調(diào)查分析情況

分析多起充電機(jī)故障數(shù)據(jù)。故障發(fā)生前模擬量采集異常，充電機(jī)無法采集到正常的電壓值和電流值，導(dǎo)致PWM控制脈寬變大，最終發(fā)生IGBT過流故障停機(jī)。

2.3地面調(diào)查分析情況

充電機(jī)傳感器供電回路失效，可能故障點(diǎn)為供電產(chǎn)生（電源模塊）、供電傳輸或供電負(fù)載（傳感器），從以上3個方面分別進(jìn)行試驗(yàn)，確定故障原因。

2.3.1供電產(chǎn)生（電源模塊）試驗(yàn)

（1）驗(yàn)證充電機(jī)電源模塊功率的試驗(yàn)

電源模塊功率及電壓等級分別為：24V轉(zhuǎn)±15V，+15V/7.5W，-15V/7.5W。

記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，降低蓄電池電量，使得充電電流為最大95A，同時帶電阻負(fù)載20kW，保證充電機(jī)持續(xù)帶載30kW，此時傳感器供電電流最大，電源模塊（為傳感器供電）+15V的電流為360mA，功率5.4W;電源模塊（為傳感器供電）-15V的電流為140mA，功率2.1W，均小于額定功率7.5W。

（2）驗(yàn)證電源模塊表面溫度的試驗(yàn)

將溫度試紙貼在電源模塊表面，將充電機(jī)帶滿載60kW，持續(xù)運(yùn)行4小時，記錄表面溫度。發(fā)現(xiàn)溫度均未達(dá)到70℃，滿足模塊工作要求。

通過以上試驗(yàn)驗(yàn)證，電源模塊輸出的電壓功率等電氣參數(shù)均正常，且滿載運(yùn)行時電源模塊的溫度在正常范圍內(nèi)，可排除電源板卡上電源模塊輸出±15異常的情況。

2.3.2供電傳輸試驗(yàn)

地面現(xiàn)場，對傳感器供電線路進(jìn)行如下試驗(yàn)：

（1）檢查故障充電機(jī)的傳輸線路外觀，無破損、漏芯等現(xiàn)象。

（2）對傳輸線路進(jìn)行導(dǎo)通測試，測試結(jié)果正常，無接線錯誤。

（3）現(xiàn)場進(jìn)行傳輸線路絕緣試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果正常。

以上試驗(yàn)結(jié)果說明，傳感器供電系統(tǒng)傳輸線路正常。

2.3.3供電負(fù)載（傳感器）試驗(yàn)

觀察傳感器內(nèi)部，隔離及電流放大電路部分器件有發(fā)黑現(xiàn)象，更換傳感器后重新上電故障消除。

電壓傳感器有兩個對外接口，接口X2為高壓信號接口，接口X1為低壓信號傳輸及供電接口。高壓側(cè)采集電壓信號經(jīng)高壓處理電路及隔離放大電路后輸出電流信號IM，主控板采集電路將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，最終由控制器完成電壓采集。

傳感器內(nèi)高壓處理電路的作用是將高功率高電壓等級的信號轉(zhuǎn)換為低功率低電壓等級的信號。通過多級運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)隔離。達(dá)林頓管D8/D9為電流放大組件，負(fù)責(zé)將微弱電壓信號放大為電流信號。如圖2.3-6所示，三極管工作在放大區(qū)，+15V給三極管提供能量，實(shí)現(xiàn)電流放大功能。輸出發(fā)射極電流Ie=gm*Vb，其中g(shù)m為互導(dǎo)增益。電壓轉(zhuǎn)換為電流信號，可增強(qiáng)信號的傳輸功率和抗干擾能力，保證主控板接收到穩(wěn)定采集信號。采集正向電壓，D8一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，由+15V為放大電路供電。D9受干擾誤導(dǎo)通時，D8/D9直通導(dǎo)致傳感器供電系統(tǒng)±15V短路，傳感器采集失效，控制器接收到異常數(shù)據(jù)，實(shí)際采集量與給定量差值變大，充電機(jī)閉環(huán)調(diào)節(jié)增大PMW控制脈寬，以期望減小采集量與給定量差值，最終發(fā)生IGBT過流故障。

綜上所述，通過對電源模塊、供電傳輸線路及傳感器內(nèi)部供電分別進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)傳感器內(nèi)部供電回路受干擾失效是故障發(fā)生的根本原因。

2.4仿真分析

將傳感器內(nèi)±15V供電回路外置引線，充電機(jī)正常運(yùn)行后，將引線短接模擬傳感器失效工況，充電機(jī)報IGBT故障停機(jī)。觀察此時故障數(shù)據(jù)，電壓電流等模擬量丟失，與現(xiàn)場故障現(xiàn)象一致。驗(yàn)證確為傳感器內(nèi)供電回路異常導(dǎo)致故障發(fā)生，

2.5分析結(jié)論

通過上述故障數(shù)據(jù)分析及實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證，可得到以下結(jié)論：充電機(jī)多次報IGBT故障為傳感器內(nèi)部供電回路受干擾導(dǎo)致。干擾原因?yàn)檎鞫O管RC吸收電路異常，電阻R完全失效或部分失效。

3.優(yōu)化方案

3.2優(yōu)化方案

（1）更換充電機(jī)內(nèi)8個電壓傳感器，優(yōu)化傳感器內(nèi)部設(shè)計，刪除傳感器內(nèi)易受干擾的回路，形成新品電壓傳感器。

（2）更換RC吸收電路的電阻為耐沖擊型電阻。其機(jī)械封裝及安裝參數(shù)均保持不變，僅增強(qiáng)電阻的耐沖擊性能。

結(jié)語

本文在分析單元串聯(lián)多電平變頻器功率單元中IGBT 的運(yùn)行狀態(tài)以及故障模式的基礎(chǔ)上，提出基于母線電壓控制的鏡像電流源檢測法，將檢測功率單元 U、V 端波形反饋至其控制芯片 CPLD，與驅(qū)動波形做實(shí)時比較，從而快速判斷出 IGBT 故障與否，以便對整個功率單元進(jìn)行容錯控制，例如對多級串聯(lián)型變頻器來說，可對故障功率單元進(jìn)行旁路，整機(jī)降額運(yùn)行等，同時在人機(jī)界面報出故障單元。

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