地铁车辆辅助系统充电机驱动板直通故障复位机制研究

包 虹

(苏州市轨道交通集团有限公司，215004，苏州∥助理工程师)

苏州轨道交通4号线自开通运营以来，已发生多起列车辅助系统充电机模块输出过流故障，对车辆DC 110 V负载造成冲击，也对正线正常运行造成了较大影响。

鉴于4号线车辆辅助系统已完成设计并投入使用多年，而且控制电路设计更改及元器件选型变更难度较大，因此本文针对出现的充电机模块输出过流问题，主要从降低故障影响和避免类似故障再次发生的角度寻求解决措施，并要求供应商在后续项目中优化其设计，以从根本上解决该问题。

1 充电机驱动板直通故障原因分析及解决对策

1.1 充电机模块控制回路

苏州轨道交通4号线车辆辅助系统充电机模块从辅逆系统的四相逆变器的第四相处受电，通过Buck斩波电路(降压电路)降压整流后得到DC 110 V电，向整车低压负载及蓄电池供电。Buck电路利用功率开关IGBT(绝缘栅双极型晶体管)控制电路的工作状态。充电机模块控制回路包括Buck电路、控制电路、驱动及保护电路。控制器产生Buck电路所需的控制信号并发送至驱动板，再由驱动板转换成开通或关断IGBT的驱动信号，从而控制Buck电路工作[1]。4号线车辆辅助系统充电机模块控制回路如图1所示。

图1 地铁车辆辅助系统充电机控制逻辑Fig.1 Control logic of metro vehicle auxiliary system charger

1.2 充电机驱动板直通故障原因

通过排查确定充电机输出过流故障原因为:充电机模块IGBT驱动板卡在工作时易受EMC(电磁兼容性)干扰导致输入的PWM(脉宽调制)信号无法关断，副边门极输出电平常高，导致IGBT桥臂长通，引起充电机输入输出电压接近相等；由于线路阻抗很小，导致充电机模块输出电流过大，进而影响母线电压，对其他挂载设备造成冲击。4号线车辆辅助系统充电机电路如图2所示。

图2 地铁车辆辅助系统充电机电路图Fig.2 Diagram of metro vehicle auxiliary system charger circuit

1.3 解决对策

该故障发生率较高，且极易造成IGBT驱动板烧毁，进而对运营安全造成影响。又因干扰源排查周期较长，无法短期内解决此问题。为尽快解决IGBT驱动板在受干扰后输出常高的问题，在现场可供选择的解决方案有限的情况下，经对IGBT驱动板工作原理进行分析，并根据充电机模块的控制方式，厂家提出升级列车辅助系统控制软件。该解决对策的基本方法是：在充电机工作前及工作中发生直通时，给充电机驱动板输入端发送几个10 μs的窄脉冲，以此方式来解除充电机直通状态。新版车辆辅助系统控制软件关于充电机IGBT驱动板直通故障的复位逻辑如表1所示。

表1 新版列车辅助系统控制软件应对充电机IGBT驱动板直通故障复位机制

2 充电机驱动板直通故障复位机制分析及其可靠性测试

2.1 分析评估充电机驱动板直通故障复位机制

为验证新版列车辅助系统控制软件复位机制的可行性，结合IGBT的工作特性及4号线列车辅助系统充电机电路，对该复位机制进行分析评估。

1) 由图2可知，充电机的输入电压从前级逆变器的第四相处获得，输出电压接车辆DC 110 V负载及蓄电池，所以在以上3种不同工况下(即表1中的3种类型)，充电机IGBT电感两端的压差不同(平台电压)，IGBT电流较大，可能有过流风险。

2) 由于线路和器件内部分布有杂散电感，IGBT在关断时会产生电压尖峰。电压尖峰的大小由关断时电流的变化率和杂散电感的大小共同决定[2]。短时间内向驱动板发送3～6个窄脉冲，意味着短时间内多次对IGBT进行开通和关断，可能引起较大的电流变化率，增大电压尖峰。若在较恶劣条件下，平台电压叠加关断电压尖峰，产生加大的电压应力，会给IGBT带来过压风险。

2.2 验证充电机驱动板直通故障复位机制的可靠性

1) 试验1：故障复位机制测试。对烧录了新版列车辅助系统控制软件的辅助箱反复上电测试，模拟不同的工况，并抓取窄脉冲发出时刻IGBT的输入输出电压和电流等相关数据。4号线列车辅助系统充电机模块IGBT的额定工作电压为600 V，额定工作电流为300 A。相关试验数据如表2所示。由表2可知，在不同工况下，窄脉冲可解除充电机驱动板直通问题，但类型1及类型3窄脉冲施加后，IGBT可能会有过压风险，但无过流风险。

表2 新版列车辅助系统控制软件充电机驱动板直通故障复位机制测试结果

2) 试验2：窄脉冲个数测试。在试验1的测试过程中，发现IGBT电感电流IL和集-射电压Vce变化较大，数值不稳定。这可能与窄脉冲个数有关。为进一步确认窄脉冲数量与IGBT电感电流及电压应力的关联性，对充电机的启动特性及故障重启复位特性进行测试，重点关注窄脉冲个数的影响。通过对充电机启动特性、故障重启复位特性的测试，并对重启复位过程中IGBT的电压及电流进行分析，发现：窄脉冲个数越多，复位时IL就越大；当窄脉冲个数达到5个时，Vce已超过IGBT额定工作电压(Vce过压后，易导致内部失效)。因此推测：当窄脉冲个数达到6个时，电感很可能进入磁饱和状态，电感电流将急剧增加，产生较大的电流的变化率，造成IGBT过压失效。

3) 试验3：IGBT驱动板故障分析。在试验2的基础上，挑取1台辅助逆变器，反复触发充电机过流保护及复位解锁逻辑，直至充电机模块驱动故障锁死无法启动。开箱检查发现，充电机IGBT驱动板被烧蚀，且IGBT已失效。查看故障数据发现，IGBT失效时刻正处于充电机输出软件过流故障第5 s复位时。对烧蚀的充电机驱动板进行检查发现，其失效模式均为驱动板副边15 V电源回路及驱动电阻大面积烧毁。使用万用表测量发现，IGBT的Cge(门-射电容)均为0，而正常情况下IGBT的Cge为42 nF左右。对失效的充电机模块进行开盖检测，并对IGBT的状态进行观察，通过失效图案形态，可判断出IGBT失效模式为过电压应力失效，主要失效位置在绑线底部，且栅极存在过压痕迹。驱动板失效机理为：IGBT 发射极E与门极G短路后，高压串入门极，导致驱动板副边驱动电路过压，进而过流烧蚀。IGBT失效模式与试验数据基本吻合，可确定失效原因由新版列车辅助系统控制软件所导致。

通过上述试验可知，新版列车辅助系统控制软件在特定工况下(第四相启动后，充电机缓启前以及充电机发生输出过流故障后5 s复位时)发出5～6 个窄脉冲时，IGBT在较大电流下关断，电压峰值超过额定电压值，可能有过压失效的风险。

3 解决方案

为消除列车辅助系统控制软件中存在的过压风险，可通过以下2种措施进行缓解：

1) 减少各工况下的窄脉冲个数。在前期试验过程中发现，1个解锁复位窄脉冲即可有效解除驱动板直通问题。由于4号线充电机Buck 电路IGBT的开关频率为20 kHz，车辆辅助系统控制单元对Buck电路的开关控制频率为4 kHz，所以在单个控制周期内IGBT的开关周期为5个周期。考虑到IGBT的开关与电路开关控制周期重叠，最严苛情况下会发出6个脉冲。因窄脉冲个数无法固定，所以暂不考虑此措施。

2) 取消发送2种存在过压风险的窄脉冲。取消类型1的窄脉冲，无法改善充电机在工作前驱动板发生直通的情况；取消类型3的窄脉冲则无影响(由于EMC干扰发生直通后，延迟5 ms会发解锁脉冲，可有效使充电机恢复正常)。故考虑增加“充电机前级第四象限工作前，对驱动板复位并发送窄脉冲解除直通”的机制(亦可实现类型1窄脉冲的功能，在本文中定义为类型4窄脉冲)，取消原类型1及类型3的窄脉冲。优化后列车辅助系统控制软件逻辑如表3所示。

表3 新版列车辅助系统控制软件应对充电机IGBT驱动板直通故障优化前后复位机制

为确保优化后的复位机制有效可靠，需对其进行验证。在充电机前级第四象限工作前的工况下，谐振和降压电路暂未工作，降压电路输入电压最高值为上次正常工作电压200 V；且输入输出电容都并联有自己的放电电阻，故输出电压最低值大于0，此时电感两端压差小于200 V。实际测试中,IGBT电流小于100 A，无应力风险。验证结果表明，新版列车辅助系统控制软件控制逻辑可有效避免IGBT过电压应力，有效解锁充电机直通过流现象，且复位解锁过程充电机电感电流不超过100 A，能够保证充电机的正常使用。

4 结语

苏州轨道交通4号线车辆辅助逆变器已于2021年4月份全部更新为新版列车辅助系统控制软件。跟踪至2021年12月，未再发生充电机驱动板直通故障，辅助逆变器运行状态良好。但需明确的是，通过此方式使驱动板复位、避免过流情况发生非长久之计，仅在现场用车条件紧张、干扰源排查无实质性进展的情况下，可采用此方式作为临时措施，在一定程度上缓解用车压力。要从根本上解决此问题，还需联合供应商对电路原理设计及元器件选型、驱动方式、线路屏蔽等方面重新进行优化。目前，苏州轨道交通5号线及后续线路的车辆辅助逆变器充电机模块不再采用与4号线同类型的驱动板，可从根本上有效避免上述故障的发生。5号线已于2021年6月开通运营，运营半年以来，未发生车辆辅助系统充电机驱动板直通故障。此外，鉴于厂家提供的初版软件存在漏洞情况，笔者建议在进行软件升级或者变更前，应充分进行测试验证以保证能够全面覆盖装车应用的各种恶劣条件。