地铁牵引系统IGBT失效实例分析及可靠性提升措施

周 勇

(江苏经纬轨道交通设备有限公司，江苏 苏州 215104)

地铁牵引系统主要由牵引变流器、辅助电源、牵引电动机、制动电阻构成，为适应地铁运行时频繁启动、加速、制动的工况，牵引系统经常在短时过载工况下工作，导致牵引变流器频繁输出大电流。在频繁的宽幅电压和电流冲击及温度、湿度、盐雾、粉尘、振动等环境应力的叠加冲击下，牵引系统保持高可靠性工作面临巨大挑战。

根据国内外行业应用数据，牵引系统电气相关失效重点器(部)件主要集中在功率半导体(国内超过99%的地铁项目使用IGBT作为功率器件)、控制器(电子板卡类)、支撑电容、电动机轴承、电动机绝缘、开关类触头(高速断路器、线路接触器等)部分。上述器(部)件失效的根本原因均不同且复杂，尤以广泛使用的功率半导体IGBT失效原因最难排查分析。

1 IGBT失效率统计

以苏州地铁2号线列车牵引系统为例，列车采用国内唯一的5辆车编组方式，编组形式为：Tc(拖车)+Mp1(动车)+M(动车)+Mp2(动车)+Tc(拖车)。列车最大运行速度为80 km/h，平均旅行速度为35 km/h，采用DC 1 500 V制式供电。

牵引逆变器拓扑结构采用2电平经典拓扑结构，1台牵引变流器驱动4台异步电动机驱动方式。拓扑结构如图1所示。

IT1、IT2、IT3、IT4、IT5、IT6.功率器件；FVMD.直流侧电压检测装置；ACMD、BCMD.交流侧电流检测装置；PH1、PH2、PH3.交流三相输出；ABVMD、ACVMD.交流输出电压检测装置；M1-1、M1-2、M2-1、M2-2.牵引电动机。

该型地铁列车于2013年底正式开通运营，列车运营半年后，出现IGBT失效率偏高的情况，具体统计数据如表1所示。由表1可以看出，发生IGBT失效的车号分布广，在不同动车车型上都有发生，IGBT失效发生的具体位置均离散且无规律，且在几个月时间发生失效的概率过高。

表1 苏州地铁2号线列车IGBT失效统计

IGBT失效率通常为100FIT(FIT指正常工作的产品在规定时间之后，产品中丧失其规定的功能的产品所占比例)左右[1]。由于IGBT属于失效后不可修复器件，不可以用平均故障间隔时间(MTBF)来描述其平均寿命，只能用平均失效前时间(MTTF)来描述。将FIT表示的IGBT失效率转化为MTTF，其值为107h。通过对理论可靠性数据与实际失效数据进行比对，发现实际失效率远高于理论数值。

2 IGBT失效原因排查

IGBT失效的主要原因分为6类，具体分类见图2。本文中IGBT型号为FZ1500R33HE3，在行业内有广泛应用，其在国内其他项目应用中未反馈故障率高，且上述统计中IGBT失效的位置呈现散点分布，无明显规律性。

Uce.集电极-发射极电压；Uge.栅极-发射极电压；du/dt.电压变化率；ESD.静电释放；di/dt.电流变化率。

依据IGBT失效主要原因分类和发生失效的现象及初步分析，确定4个排查方向，即制造端装配质量和工艺排查、应用设计排查、驱动和保护排查、器件批量制成问题排查，需对这几个可能造成IGBT提前失效的方向进行逐一排查。

2.1 制造端装配质量和工艺排查

首先分析产品制造端装配质量和工艺可能造成IGBT失效的原因，并对发现的问题进行整改， 具体排查重点包括：静电释放、机械应力冲击、安装力矩偏差、螺栓紧固工序、导热硅脂厚度超差以及散热器安装面平面度超差或结构损伤。

经排查发现存在部分制造端装配问题，针对发现的问题，采取以下整改措施：

(1) 通过加强工人操作规范性，杜绝个别违规操作现象，确保IGBT安装中没有受到人为操作造成的静电释放损伤和机械应力冲击；

(2) 通过工序、工艺检查，确保装配工人安装螺栓紧固顺序正确，紧固力矩满足工艺要求；

(3) 通过购买设备(导热硅脂自动涂覆机)替代人工涂覆操作，杜绝人为操作错误和失误，保证导热介质厚度和均匀度达到热阻的最佳设计值；

(4) 通过加强供应商来料检测和装配前检查，保证散热器安装面的平面度满足设计公差，安装面无划痕、凹点等缺陷。

2.2 应用设计排查

制造端装配质量和工艺排查整改过后，IGBT失效问题仍时有发生，说明没有从根本上解决问题。与制造原因排查同时进行的应用设计排查主要从以下4个方面进行：器件选型设计、电流冲击超限、电压冲击超限、温度冲击超限。

现场检测列车负载周期内的电流冲击、电压冲击、温度冲击，与设计值、器件安全工作区耐受值进行比对，分析判断失效是否由上述3种冲击之一或叠加造成。列车正线运行时的牵引负载周期见图3。

图3 苏州地铁2号线列车正线运行时的牵引负载周期

图3中蓝色方框为列车途经站点，从上述列车运行时的牵引负载周期可以看出，列车牵引系统频繁短时过载。列车运行全程电网电流的有效值为756 A，峰值为2 400 A，牵引工况下每台牵引电动机电流有效值为91 A，制动工况下每台牵引电动机电流有效值为114 A；每台牵引电动机的相电流峰值可达200 A。

上述牵引负载均属于行业平均水平，不存在超过行业正常应用的特殊(恶劣)工况。通过正线列车运行实际数据与设计值比对，没有发现超出安全工作区的电流和电压冲击。

根据列车正线运行的负载周期，代入热仿真工具可得到表2数据。通过对比热设计边界(125 ℃)、器件标称工作温度限值(150 ℃)和上述实测散热器温度(92 ℃)及热成像，功率器件的热设计裕量预留合理，散热设计符合设计要求，没有发现温度冲击超过设计限值的情况。综合判断电压冲击、电流冲击、温度冲击均在器件的安全工作区内,因此IGBT的应用设计选型没有问题。

表2 牵引功率单元工作循环温度仿真结果 ℃

2.3 驱动和保护排查

本项目IGBT驱动采用光耦隔离驱动方式，抗干扰性强，采用高速多级保护策略，经过国内外长时间的项目应用考验，存在问题的可能性很小。即便如此，为了排查失效原因，重新进行了以下相关试验：过压保护试验、过流保护试验、短路保护试验、du/dt保护试验、di/dt保护试验、过温保护试验。

经上述试验验证，全部保护参数和动作设计合理，未发现与实际失效现象相关的驱动和保护问题。

2.4 器件批量制成问题排查

除了制造端装配质量和工艺、应用设计、驱动和保护外，器件批量制成问题也会造成IGBT应用失效。如果是器件批量制成问题，逻辑上应该还有其他项目出现类似问题。对比同型号、同批次IGBT在3个不同城市(苏州、新加坡、慕尼黑)地铁应用中的失效率，发现失效率在全年12个月中随着应用环境温度和湿度变化呈现不同趋势，见图4。

图4 同型号、同批次IGBT在3个城市地铁应用中的失效率

如图4(a)所示，苏州全年湿度总体较高，6～10月月平均湿度在较高的基础上还有小幅提高，月平均湿度达到75%；月平均温度呈现“凸”形趋势，IGBT失效率曲线与温度曲线呈现相同趋势。从图4(b)中可以看出，新加坡全年高温、高湿，在该环境下IGBT失效率全年处于高峰值水平；IGBT失效率曲线和温度曲线、湿度曲线呈现相同趋势。从图4(c)中可以发现，慕尼黑1—12月湿度曲线呈现“凹”形趋势，温度曲线呈现“凸”形趋势，但温度曲线高温峰值低于18 ℃，在该环境下IGBT失效率全年处于低值。在不同应用环境下，IGBT失效率曲线与温度曲线、湿度曲线趋势完全不同。

综合上述同型号、同批次IGBT在不同应用环境条件下的表现，发现如下规律：高温、高湿叠加工况下IGBT失效率明显增高。为了进一步验证上述结论，苏州售后现场针对IGBT失效的时间、天气、运营里程进行了统计(表3)，并分析了IGBT失效率与温度、湿度的关系(图5)。

图5 IGBT失效率与温度、湿度关系

表3 同型号、同批次IGBT在不同应用环境下失效统计

依据上述统计数据分析发现，发生失效当天，全部是高湿度天气(雨天、多云、阴天)，且57%的失效出现在高温季节(5～10月)，43%的失效出现在非高温季节，经查询失效当日气温，也为高出月平均气温的异常高温。据此可以初步判定：高湿度和高温度是导致IGBT失效的外部原因。

由于同型号、不同批次的IGBT未出现上述统计规律，上述分析的结果并不能从根本上解释失效原因。根本原因分析进一步导向器件批量制成问题。为此，与IGBT制造企业进行协同分析，得到IGBT制造企业反馈，该批次产品与其他批次同型号产品主要差异如下：

(1) 芯片与散热基板之间的陶瓷衬板厚度相对于同型号其他批次略有缩减(0.2 mm)，陶瓷衬板位置见图6。

(2) 封装填充的耐高温有机硅凝胶(图6中的硅胶)与其他批次的型号成分存在差别，主要体现在防水性能方面(防水性能下降)。

图6 IGBT结构示意图

综上，IGBT失效的原因为：IGBT单一批次更改设计导致该批次产品封装的防水性能和内部绝缘性能下降，在高温和高湿环境应力叠加作用下，异常批次产品的耐高温有机硅凝胶无法抵御空气中水分侵入，造成器件内部绝缘环境劣化，加之绝缘陶瓷衬板变薄，进一步减低了器件的绝缘性能，导致IGBT失效。在上述四重因素叠加下，即使对器件的控制和保护做到科学合理也无法对内部绝缘失效的IGBT进行有效保护，最终导致IGBT失效率大幅增高。

3 可靠性提升措施

为减少IGBT失效率，提高IGBT可靠性，可采取以下措施：

(1) 针对外部原因造成的温度和湿度“双高”的工作环境条件进行人为干预。在防护等级为IP55的箱体内部增加干燥剂，使牵引逆变器箱体内工作的IGBT避免高温和高湿2种工况的叠加，人工制造“小环境”，并对干燥剂进行定期检查和更换。

(2) 针对器件本身的内部原因，更换非问题批次IGBT器件。

(3) 新产品研发在技术、经济都可行的前提下，提高牵引逆变器箱体非冷却风道区(封闭区)防护等级；在箱体内部设置主动除湿装置；箱体封闭区(电气、电子元件工作区)改造为惰性气体正压舱，排除空气中对绝缘不利的水分和对元器件有氧化作用的气体成分；新IGBT或成熟应用但经过设计改动的IGBT在应用前必须进行有效的可靠性测试或小批量试点验证，通过后可大批量应用。

通过采取第1项整改措施，IGBT失效率明显降低，达到运营考核要求。但由于之前累积的湿度侵入，还是有少部分失效延续。通过采取第2项整改措施，可彻底解决IGBT异常失效的问题，使IGBT失效率与国内其他项目IGBT正常失效率持平，事实证明整改措施合理、有效。第3项措施从改善电气、电子元器件工作环境入手，可有效地抑制IGBT绝缘劣化和氧化，提升系统的电气可靠性，延长系统的使用寿命。

4 总结

IGBT作为地铁牵引系统的核心器件，控制和保护技术难度大，在实际应用中，造成其失效原因繁多、复杂，且存在多种因素叠加，为分析失效原因造成诸多困难。本文通过问题排查的方式最终找到了导致IGBT失效的根本原因，并提出了可靠性措施，可为行业内IGBT失效分析提供参考。