动车组充电机IGBT故障优化方案

高志鹏

摘要：高效且能承受长的短路时间的IGBT的市场在不断增长。现有的器件不能使器件设计者同时实现这两个目标。本文推荐的电路通过限制故障电流的幅值，延长了高效IGBT的短路承受时间。限制故障电流幅值获得的另一个好处是减小了关断时的瞬态电压，尤其对大电流模块更是如此.此外很大程度上抵消了不利的米勒效应。当故障电流是瞬态窄脉冲时，能使电路恢复正常工作，对噪声干扰严重的系统，本限流电路具有特别理想的特性。

关键词：动车组;充电机;IGBT故障;优化

1.问题描述

动车组，发生多起充电机故障停机，报故障代码4495（充电机故障）、4401（充电机IGBT故障），断电复位后故障消除。

2.原因分析

2.1控制原理（机理）/机械安装结构分析

充电机内部由PM1和PM2两个充电单元并联构成，分别对应司机显示屏的1#充电机和2#充电机，充电单元有各自独立的控制器进行逻辑控制和故障保护，PM1/PM2IGBT故障由PM1/PM2模块控制器和驱动板检测，驱动板对IGBT状态及驱动电压进行监控，当检测到IGBT短路、过流或者欠压时，反馈故障信号给控制器，控制器进行IGBT故障报警，随后系统故障停机。

功率模块PM1/PM2各拥有一套传感器供电回路，由电源板上电源模块产生，负责给传感器提供稳定供电电源。当传感器系统的供电产生（电源模块）、供电传输或供电负载（传感器）任一方出问题时，均可能导致传感器系统功能失效，使得充电机主控板无法正常PWM控制，发生IGBT故障。

2.2现车调查分析情况

分析多起充电机故障数据。故障发生前模拟量采集异常，充电机无法采集到正常的电压值和电流值，导致PWM控制脉宽变大，最终发生IGBT过流故障停机。

2.3地面调查分析情况

充电机传感器供电回路失效，可能故障点为供电产生（电源模块）、供电传输或供电负载（传感器），从以上3个方面分别进行试验，确定故障原因。

2.3.1供电产生（电源模块）试验

（1）验证充电机电源模块功率的试验

电源模块功率及电压等级分别为：24V转±15V，+15V/7.5W，-15V/7.5W。

记录试验数据，降低蓄电池电量，使得充电电流为最大95A，同时带电阻负载20kW，保证充电机持续带载30kW，此时传感器供电电流最大，电源模块（为传感器供电）+15V的电流为360mA，功率5.4W;电源模块（为传感器供电）-15V的电流为140mA，功率2.1W，均小于额定功率7.5W。

（2）验证电源模块表面温度的试验

将温度试纸贴在电源模块表面，将充电机带满载60kW，持续运行4小时，记录表面温度。发现温度均未达到70℃，满足模块工作要求。

通过以上试验验证，电源模块输出的电压功率等电气参数均正常，且满载运行时电源模块的温度在正常范围内，可排除电源板卡上电源模块输出±15异常的情况。

2.3.2供电传输试验

地面现场，对传感器供电线路进行如下试验：

（1）检查故障充电机的传输线路外观，无破损、漏芯等现象。

（2）对传输线路进行导通测试，测试结果正常，无接线错误。

（3）现场进行传输线路绝缘试验，试验结果正常。

以上试验结果说明，传感器供电系统传输线路正常。

2.3.3供电负载（传感器）试验

观察传感器内部，隔离及电流放大电路部分器件有发黑现象，更换传感器后重新上电故障消除。

电压传感器有两个对外接口，接口X2为高压信号接口，接口X1为低压信号传输及供电接口。高压侧采集电压信号经高压处理电路及隔离放大电路后输出电流信号IM，主控板采集电路将电流信号转化为电压信号，最终由控制器完成电压采集。

传感器内高压处理电路的作用是将高功率高电压等级的信号转换为低功率低电压等级的信号。通过多级运算放大器实现隔离。达林顿管D8/D9为电流放大组件，负责将微弱电压信号放大为电流信号。如图2.3-6所示，三极管工作在放大区，+15V给三极管提供能量，实现电流放大功能。输出发射极电流Ie=gm*Vb，其中gm为互导增益。电压转换为电流信号，可增强信号的传输功率和抗干扰能力，保证主控板接收到稳定采集信号。采集正向电压，D8一直处于导通状态，由+15V为放大电路供电。D9受干扰误导通时，D8/D9直通导致传感器供电系统±15V短路，传感器采集失效，控制器接收到异常数据，实际采集量与给定量差值变大，充电机闭环调节增大PMW控制脉宽，以期望减小采集量与给定量差值，最终发生IGBT过流故障。

综上所述，通过对电源模块、供电传输线路及传感器内部供电分别进行试验，发现传感器内部供电回路受干扰失效是故障发生的根本原因。

2.4仿真分析

将传感器内±15V供电回路外置引线，充电机正常运行后，将引线短接模拟传感器失效工况，充电机报IGBT故障停机。观察此时故障数据，电压电流等模拟量丢失，与现场故障现象一致。验证确为传感器内供电回路异常导致故障发生，

2.5分析结论

通过上述故障数据分析及实际试验验证，可得到以下结论：充电机多次报IGBT故障为传感器内部供电回路受干扰导致。干擾原因为整流二极管RC吸收电路异常，电阻R完全失效或部分失效。

3.优化方案

3.2优化方案

（1）更换充电机内8个电压传感器，优化传感器内部设计，删除传感器内易受干扰的回路，形成新品电压传感器。

（2）更换RC吸收电路的电阻为耐冲击型电阻。其机械封装及安装参数均保持不变，仅增强电阻的耐冲击性能。

结语

本文在分析单元串联多电平变频器功率单元中IGBT 的运行状态以及故障模式的基础上，提出基于母线电压控制的镜像电流源检测法，将检测功率单元 U、V 端波形反馈至其控制芯片 CPLD，与驱动波形做实时比较，从而快速判断出 IGBT 故障与否，以便对整个功率单元进行容错控制，例如对多级串联型变频器来说，可对故障功率单元进行旁路，整机降额运行等，同时在人机界面报出故障单元。

参考文献

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