HXD3機車主變流器IGBT故障分析與對策研究

摘 要：IGBT因其卓越的性能，被廣泛應用于軌道交通牽引等大功率場合，若IGBT功率模塊發生故障，就會造成停車事故對運行安全造成威脅。本文介紹IGBT在牽引主變流器中的應用，分析發生炸裂故障的原因，并提出預防技術措施。

關鍵詞：HXD3機車；IGBT；故障

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.12.008

0 引言

HXD3 型電力機車主變流器為牽引電動機提供電能，主變流器就好比機車的心臟，它的好壞直接關系到機車的質量性能。近年來，IGBT炸損事故頻發，嚴重影響了機車的正常運行。隨著故障發生愈加頻繁，如何快速有效減少故障發生成為當前亟待解決的問題。

1 IGBT在主變流器中的應用

HXD3機車主變流柜的主電路分別由脈沖寬度調制PWM逆變器模塊、四象限整流器模塊、中間濾波電容直流環節、真空接觸器等部分組成，無接點控制單元構成其控制電路[1]。主變流柜可針對車輛的不同時速，對牽引電機采用矢量控制，精確調節電機的轉矩和轉速，從而快速改變機車運行速度。

四象限整流單元由兩個IGBT元件并聯后組成功率模塊，逆變單元則是由單個IGBT元件構成的功率模塊。通過對電力電子開關IGBT采用PWM控制，能將由變壓器二次側繞組引出的1450V交流電壓轉換成為2800V直流電壓。經過中間直流環節的重要作用后，逆變單元將輸入電壓為2800V直流逆變為額定輸出電壓為2150V的U、V、W三相交流電壓，對牽引電機提供電能。

IGBT功率模塊作為逆變單元和四象限整流單元的重要組成部分，對機車加速度的上升和下降進行連續控制，實現機車的牽引和制動，要求其可靠性高，噪聲低，功耗低。它的炸裂不僅使得自身報廢、后期的維修只能整體更換，還會因爆炸沖擊導致周圍相關電路板和元器件的損壞和老化，在給段上帶來巨大經濟成本壓力的同時也會埋下安全隱患，嚴重影響機車質量。

2 IGBT故障現象原因分析

IGBT功率模塊運行于高電壓、大電流的應用場合，其功率損耗較大和工作結溫較高。當作為高頻率開關使用時，為了使模塊工作性能良好，應控制IGBT的工作結溫，防止過熱燒損芯片。機車中IGBT元件的額定參數如下：額定電壓為4500V；額定電流為900A；最大電流為1800A，器件使用溫度范鬧為-40℃—125℃。

經過調查統計，2016年某機務段發生18起IGBT炸裂故障。其中6、7、8月份，故障率明顯升高。尤其是雷雨天氣，主變流柜內IGBT爆炸事故高達87%。故障位置發生在逆變側的比例是89%，而整流側僅為11%。CI1-CI6均有故障發生，其中故障率最高的是位于CI3，其次是CI4。而且炸裂位置多位于U相，超出了V、W相的故障總數。分析故障原因與下列因素有關：

2.1 與環境溫度的關系

IGBT炸裂故障發生率在環境溫度的升高時明顯上升，到7、8月份時達到頂峰，而溫度降低時故障件數隨之減小。CI內部IGBT模塊使用的散熱基板材料是碳化硅鋁，而水冷的散熱板是鋁質的，使用螺栓緊固密貼，并涂以導熱硅脂。開關工作過程中產生的熱量最終通過通過傳導至鋁制散熱片進行散熱。當溫度變化引起材料的熱膨脹系數不同時，IGBT模塊內部受到一定的應力，使內部結構受損，芯片失去作用[2]。

2.2 與大氣濕度的關系

潮濕的氣候狀況容易引起材料的腐燭，受損的IGBT會因腐燭造成芯片功能進一步下降，可能導致IGBT炸裂?？諝庵械南鄬穸炔皇枪潭ú蛔兊?，它與環境溫度有很大關聯。當器件表面材料熱膨脹系數不同或者溫度高致使表面結構變形，環境中的水分也容易進入器件內，使內部絕緣程度驟降，導致不良擊穿現象。因此，對于IGBT模塊應有一定的絕緣度要求。經查閱資料，根據大連東芝公司對TCMS主機工作的空氣相對濕度標準為30%-80%，判斷IGBT正常工作的濕度為30%-80%，當工作環境濕度超過80%時，會導致IGBT表面絕緣降低引起過電壓，擊穿IGBT模塊。當天氣為雨季或暴雪天氣時，會導致機車機械間內空氣濕度同步增加。由于機車運行中主變流柜內溫度過高，水份因高溫氣化，當機車停車時，機車功率降低，主變流柜內溫度降低，部分水分液化成霧沉積在變流柜下部。同時經過復合冷卻器風冷的冷卻水首先經過逆變側IGBT，加速水份液化，導致逆變側IGBT表面濕度超過80%，引發過電壓擊穿。

2.3 與柜內潔凈度的關系

機車運行環境較差泥灰粉塵多，主變流柜內均不同程度灰塵污染，機車IGBT單元體表面發現附著薄薄一層泥灰，由于灰塵落在IGBT表面更容易吸附水汽，由水汽和灰塵組成的混合體進一步凝固形成潮濕的附著物，進而引發過電壓擊穿。

3 防止的技術措施

（1）為防止出現IGBT因環境溫度過高損壞，應仔細檢查CI冷卻系統的復合冷卻器、冷卻水管道、管道各接頭部位、各種閥類是否密封良好無滲水現象；檢查冷卻板平面度滿足小于0.02mm的要求，IGBT與冷卻板粘結緊密；檢查冷卻水位在規定范圍內，若低于刻度線，應查明原因，并注入冷卻液；檢查高壓試驗冷卻水流量達到要求（200-220L/min）；檢查冷卻泵外觀無異常，狀態良好。

（2）在主變流柜內部逆變側掛置空氣干燥器（集水袋），集裝箱防潮使用的集水袋和干燥劑（防潮三個月），能夠長時間有效對主變流柜內部進行防潮，即使在雨水較多季節也能保證變流柜內部空氣濕度在80%以下?？諝鉂穸冗_不到造成IGBT炸裂條件，從而避免水汽遇冷液化附著在IGBT表面造成過電壓炸裂故障。

（3）在機車入庫檢修時，打開主變流器蓋板并用干棉絲對變流器內部各個和IGBT表面進行擦拭；用便攜式吸塵器對死角處灰塵和浮灰進行再清潔。利用秋整時期對HXD3型機車機械間進行徹底保潔，尤其是走廊地板下和各電器柜頂部等容易落灰處進行清潔，減少主變流器柜內灰塵來源，避免灰塵附著在IGBT表面更容易吸附液化水蒸氣。

4 結束語

通過對機車主變流柜IGBT炸裂故障現象的理論分析，并針對故障發生的要因，提出了可行有效的技術預防措施，并在2017年主變流器CI單元體故障中取得明顯成效，炸裂事故下降超出預期目標。

參考文獻：

[1]HXD3B型電力機車牽引控制單元DCU2導致的故障判斷及處理措施[J].鐵道機車與動車，2016（07）：37-39.

[2]丁玉峰.HXD3型機車常見故障分析及處理措施[J].電力機車與城軌車輛，2013，36（02）：76-78.

作者簡介：楊艷萍（1989-），女，甘肅定西人，碩士研究生，講師。