HXD3机车主变流器IGBT故障分析与对策研究

摘 要：IGBT因其卓越的性能，被广泛应用于轨道交通牵引等大功率场合，若IGBT功率模块发生故障，就会造成停车事故对运行安全造成威胁。本文介绍IGBT在牵引主变流器中的应用，分析发生炸裂故障的原因，并提出预防技术措施。

关键词：HXD3机车；IGBT；故障

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

0 引言

HXD3 型电力机车主变流器为牵引电动机提供电能，主变流器就好比机车的心脏，它的好坏直接关系到机车的质量性能。近年来，IGBT炸损事故频发，严重影响了机车的正常运行。随着故障发生愈加频繁，如何快速有效减少故障发生成为当前亟待解决的问题。

1 IGBT在主变流器中的应用

HXD3机车主变流柜的主电路分别由脉冲宽度调制PWM逆变器模块、四象限整流器模块、中间滤波电容直流环节、真空接触器等部分组成，无接点控制单元构成其控制电路[1]。主变流柜可针对车辆的不同时速，对牵引电机采用矢量控制，精确调节电机的转矩和转速，从而快速改变机车运行速度。

四象限整流单元由两个IGBT元件并联后组成功率模块，逆变单元则是由单个IGBT元件构成的功率模块。通过对电力电子开关IGBT采用PWM控制，能将由变压器二次侧绕组引出的1450V交流电压转换成为2800V直流电压。经过中间直流环节的重要作用后，逆变单元将输入电压为2800V直流逆变为额定输出电压为2150V的U、V、W三相交流电压，对牵引电机提供电能。

IGBT功率模块作为逆变单元和四象限整流单元的重要组成部分，对机车加速度的上升和下降进行连续控制，实现机车的牵引和制动，要求其可靠性高，噪声低，功耗低。它的炸裂不仅使得自身报废、后期的维修只能整体更换，还会因爆炸冲击导致周围相关电路板和元器件的损坏和老化，在给段上带来巨大经济成本压力的同时也会埋下安全隐患，严重影响机车质量。

2 IGBT故障现象原因分析

IGBT功率模块运行于高电压、大电流的应用场合，其功率损耗较大和工作结温较高。当作为高频率开关使用时，为了使模块工作性能良好，应控制IGBT的工作结温，防止过热烧损芯片。机车中IGBT元件的额定参数如下：额定电压为4500V；额定电流为900A；最大电流为1800A，器件使用温度范闹为-40℃—125℃。

经过调查统计，2016年某机务段发生18起IGBT炸裂故障。其中6、7、8月份，故障率明显升高。尤其是雷雨天气，主变流柜内IGBT爆炸事故高达87%。故障位置发生在逆变侧的比例是89%，而整流侧仅为11%。CI1-CI6均有故障发生，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相的故障总数。分析故障原因与下列因素有关：

2.1 与环境温度的关系

IGBT炸裂故障发生率在环境温度的升高时明显上升，到7、8月份时达到顶峰，而温度降低时故障件数随之减小。CI内部IGBT模块使用的散热基板材料是碳化硅铝，而水冷的散热板是铝质的，使用螺栓紧固密贴，并涂以导热硅脂。开关工作过程中产生的热量最终通过通过传导至铝制散热片进行散热。当温度变化引起材料的热膨胀系数不同时，IGBT模块内部受到一定的应力，使内部结构受损，芯片失去作用[2]。

2.2 与大气湿度的关系

潮湿的气候状况容易引起材料的腐烛，受损的IGBT会因腐烛造成芯片功能进一步下降，可能导致IGBT炸裂。空气中的相对湿度不是固定不变的，它与环境温度有很大关联。当器件表面材料热膨胀系数不同或者温度高致使表面结构变形，环境中的水分也容易进入器件内，使内部绝缘程度骤降，导致不良击穿现象。因此，对于IGBT模块应有一定的绝缘度要求。经查阅资料，根据大连东芝公司对TCMS主机工作的空气相对湿度标准为30%-80%，判断IGBT正常工作的湿度为30%-80%，当工作环境湿度超过80%时，会导致IGBT表面绝缘降低引起过电压，击穿IGBT模块。当天气为雨季或暴雪天气时，会导致机车机械间内空气湿度同步增加。由于机车运行中主变流柜内温度过高，水份因高温气化，当机车停车时，机车功率降低，主变流柜内温度降低，部分水分液化成雾沉积在变流柜下部。同时经过复合冷却器风冷的冷却水首先经过逆变侧IGBT，加速水份液化，导致逆变侧IGBT表面湿度超过80%，引发过电压击穿。

2.3 与柜内洁净度的关系

机车运行环境较差泥灰粉尘多，主变流柜内均不同程度灰尘污染，机车IGBT单元体表面发现附着薄薄一层泥灰，由于灰尘落在IGBT表面更容易吸附水汽，由水汽和灰尘组成的混合体进一步凝固形成潮湿的附着物，进而引发过电压击穿。

3 防止的技术措施

（1）为防止出现IGBT因环境温度过高损坏，应仔细检查CI冷却系统的复合冷却器、冷却水管道、管道各接头部位、各种阀类是否密封良好无渗水现象；检查冷却板平面度满足小于0.02mm的要求，IGBT与冷却板粘结紧密；检查冷却水位在规定范围内，若低于刻度线，应查明原因，并注入冷却液；检查高压试验冷却水流量达到要求（200-220L/min）；检查冷却泵外观无异常，状态良好。

（2）在主变流柜内部逆变侧挂置空气干燥器（集水袋），集装箱防潮使用的集水袋和干燥剂（防潮三个月），能够长时间有效对主变流柜内部进行防潮，即使在雨水较多季节也能保证变流柜内部空气湿度在80%以下。空气湿度达不到造成IGBT炸裂条件，从而避免水汽遇冷液化附着在IGBT表面造成过电压炸裂故障。

（3）在机车入库检修时，打开主变流器盖板并用干棉丝对变流器内部各个和IGBT表面进行擦拭；用便攜式吸尘器对死角处灰尘和浮灰进行再清洁。利用秋整时期对HXD3型机车机械间进行彻底保洁，尤其是走廊地板下和各电器柜顶部等容易落灰处进行清洁，减少主变流器柜内灰尘来源，避免灰尘附着在IGBT表面更容易吸附液化水蒸气。

4 结束语

通过对机车主变流柜IGBT炸裂故障现象的理论分析，并针对故障发生的要因，提出了可行有效的技术预防措施，并在2017年主变流器CI单元体故障中取得明显成效，炸裂事故下降超出预期目标。

参考文献：

[1]HXD3B型电力机车牵引控制单元DCU2导致的故障判断及处理措施[J].铁道机车与动车，2016（07）：37-39.

[2]丁玉峰.HXD3型机车常见故障分析及处理措施[J].电力机车与城轨车辆，2013，36（02）：76-78.

作者简介：杨艳萍（1989-），女，甘肃定西人，硕士研究生，讲师。