基于任务剖面的高速列车牵引变流器IGBT寿命评估*

唐 辉，王为介，柴育恒，徐小明，葛兴来

（1中国铁路广州局集团有限公司 广州动车段，广州 511483；2北京纵横机电科技有限公司，北京 100094；3西南交通大学 电气工程学院，成都 610031）

牵引变流器作为高速列车的核心单元，是列车运行的动力来源，其工作状态关乎列车能否安全运行［1］。但牵引变流器装设于列车底部，由于恶劣的运行环境和频繁的工况变化，其关键组成部件IGBT模块的性能（Insulated Gate Bipolar Transistor Module）会随着时间的推移逐渐劣化，危及列车的安全运行。同时相关的工业调查表明，IGBT模块是变流器中故障率最高的器件之一［2］。因此，对牵引变流器中的IGBT功率模块进行寿命预评估具有重要的研究意义，不仅可以有效保证列车的安全运营，还可以为列车的维修提供参考。

针对IGBT寿命的评估，目前的研究主要是基于可靠性分析手册MILHDBK-217，即利用数理统计进行寿命分析［3-4］，文献［3］将故障率视为恒定值，利用指数分布进行寿命评估；而文献［4］则通过其他分布函数，例如三参数威布尔分布、正态分布等进行寿命分析。上述方法虽然易于实现，但未对故障机制进行准确建模，也未考虑故障物理现象，单纯的数据分析得到结论置信度较低。同时功率器件在实际运行中会发生不同程度的磨损（老化），且磨损程度与运行工况密切相关，因此基于任务剖面的寿命评估置信度较高，并且已成为可靠性分析的主流［5-6］。

文中通过对广州南—长沙南线路的某车型动车组加装传感器，记录列车运行数据，利用变流器数学模型与电热联合仿真计算出IGBT的结温数据，接着采用雨流计数法进行热载荷分析，最后结合寿命评估模型对牵引变流器的IGBT模块进行寿命评估。

1 牵引变流器结构

动车组牵引变流器主要由3部分组成［1］，如图1所示，分别为四象限整流器（4QC）、中间直流环节和牵引逆变器。其中牵引逆变器的输出端连接到4个牵引电机，将电能转换为机械能为列车提供运行动力。

图1 牵引变流器拓扑示意图

当列车处于牵引工况时，能量从网侧整流器流向牵引逆变器，当列车处于制动工况时，能量则从电机回馈到牵引网。

2 基于任务剖面寿命评估

基于任务剖面的寿命评估流程如图2所示，其主要分为数据处理、结温计算和寿命评估3个部分，其中损耗计算和热网络模型是进行结温计算的关键步骤，下面将进行详细分析。计算出结温信息后，利用雨流计数法对其进行统计，获取结温波动和平均结温循环次数，同时代入到寿命评估模型中，结合Miner线性损伤定理，给出牵引变流器中IGBT模块的寿命估计结果。

图2 IGBT寿命评估流程

2.1 IGBT损耗计算

IGBT模块的功率损耗是主要包括通态损耗和开关损耗。对于IGBT，开关损耗包括开通损耗和关断损耗，二极管的开关损耗主要为反向恢复损耗。IGBT和二极管的通态损耗主要受导通电流和温度影响，通常表示为［7］式（1）、式（2）：

式中：PconT和PconD分别表示IGBT和二极管的通态损耗；vce表示IGBT集电极和发射极间的电压；ic指流过两端的电流；vF和iF则分别表示二极管两端的电压和电流；vce0和vF0分别表示IGBT和二极管静态特性曲线线性拟合之后和横轴的交点；rce和rF则表示两者拟合曲线的斜率，以上拟合值的大小与温度相关；δ表示当前开关周期内IGBT导通的占空比；Ts是器件的开关周期。

IGBT和二极管的开关损耗则受导通电流、阻断电压、驱动电阻等影响，根据器件生产厂家的损耗计算经验［7］，两者的开关损耗通常表示为式（3）、式（4）：

式中：Eon和Eoff表示IGBT在额定条件下的开通和关断能耗；Err是二极管在额定条件下的关断损耗；Tj表示IGBT或二极管的结温；VDC表示实际中的直流侧电压值；Ic、IF表示实际流经IGBT、二极管的电流值；KV为开关损耗的电压依赖性指数；CT为开关损耗的温度系数，二者均可通过试验或数据手册来计算；Iref、Vref和Tref分别代表参考电流，参考阻断电压和参考温度；fsw代表开关频率。

2.2 IGBT热网络模型

文中分析列车的牵引变流器中采用的IGBT模块为FZ750R65KE3型，该模块为焊封式，模型散热为单面散热，IGBT可看做是一个垂直导热的模型，考虑模块封装的7层的IGBT垂直导热结构如图3所示，IGBT或二极管芯片产生的热量向下传递，最终通过散热器将热量带走。

图3 IGBT垂直导热结构

目前对于IGBT模块的热网络描述主要采用集总参数模型，分别为Foster模型和Cauer模型2类，Cauer模型与实际模块的分层结果相对应，但是模型参数计算需要IGBT模块内部每层结构详细的尺寸参数和材料特性，而这些信息在实际工程应用中通常难以获取；Foster模型是对瞬态热阻抗曲线的数据拟合，虽然不具有实际物理意义，但易于获取且数据手册提供了较为精确的四阶热网络模型的参数，因此文中采用Foster模型进行结温计算。考虑实际系统中导热硅脂和散热系统，牵引变流器的热网络可以等效为图4所示，同时给出了IGBT热网络模型中具体参数值，见表1。

图4 IGBT热网络模型

表1 IGBT热网络模型参数

图4中PlossT和PlossD分别代表IGBT和反并联二极管的功率损耗，R和C分别表示热阻和热容，Tc表示IGBT模块的壳温，牵引变流器采用水冷方式散热，Ta表示水冷基板的冷却液温度。利用上一小节计算出的损耗结果，代入所建立的热网络仿真模型中，即可获得IGBT的结温曲线。

2.3 雨流计数及寿命评估

IGBT的结温曲线可以看做是时间轴上不同幅值和均值的温度曲线的叠加。根据Miner线性疲劳损伤理论，如果忽略不同应力对器件损伤的耦合作用，则IGBT的寿命可以看作是不同类型温度循环下器件损伤度相加的倒数，为式（5）：

式中：D为一次工况下器件的总损伤度，它等于不同类型温度循环下的损伤度之和；ni为当前温度循环类型下的循环次数；Ni为当前温度循环类型下可承受的失效次数。因此，为评估IGBT寿命，必须对IGBT的结温曲线所包含的不同温度循环载荷进行分类和计数。文中采用雨流计数法完成该部分工作［5］。

IGBT的寿命评估一般基于特定的寿命模型，物理模型和解析模型是目前最常见的寿命模型。其中物理模型是基于材料的物理失效机理所推导出的寿命模型，物理意义明显但是模型的参数难以获取。解析模型通常将器件的寿命考虑为受某些劣化因子的经验表达式，其参数提取相对简单，利用试验数据对模型进行拟合即可获得。

文中利用Norris-Landberg解析寿命模型对IGBT进行寿命评估，其模型的表达式为式（6）：

式中：Nf为循环次数寿命；f为循环的频率；ΔTj为温度波动的幅值；Tm为平均结温；k为玻尔兹曼常数，值为1.38×10-23J/K；Ea为激活能（约9.89×10-20J）；A、a1、a2均为用试验数据拟合的常数。

将雨流计数获得的计数结果代入到寿命解析模型，根据Miner线性疲劳损伤理论，最终即可获得IGBT寿命评估结果。

3 案例分析

文中选取广州南动车段的某车型动车组为试验车，通过在车载变流器中加装电压电流传感器，获取结温计算所必须的牵引变流器变量，根据试验列车的变流器拓扑、控制策略以及损耗计算公式，分别计算整流器和逆变器中IGBT损耗变量，然后代入如图4所示的热网络模型中，即可获取列车运行过程中的结温，此次试验列车的结温剖面如图5所示。

图5 牵引变流器功率模块的结温剖面

利用雨流计数法对整流器和逆变器所获取的结温进行统计，可分别获得运行过程中IGBT所承受的热载荷分布如图6所示。可以看出整流器中的IGBT结温波动大多数波动范围在5℃以内，且对于平均结温，整流器多分布在55～75℃之间，逆变器多分布在60～80℃。

图6 牵引变流器雨流计数结果

将获取的雨流计算结果代入寿命模型中，可以得到本文所测试的线路列车牵引变流器的寿命评估结果，见表2。

表2 牵引变流器寿命评估结果

从寿命评估结果可以看出，整流器侧IGBT模块损伤度高于逆变器侧，即整流器IGBT模块的寿命要低于逆变器中的IGBT模块。这是由于整流器侧IGBT的应力比逆变器侧IGBT更高。另外，需要说明的是，此处整流器侧IGBT的寿命结果并非单指IGBT芯片的寿命。由于在整个运行线路中，列车多处于牵引工况（加速启动和恒速运行），而该工况下单个基波周期内的IGBT模块的电流波形如图7所示。

图7 牵引工况整流器功率模块电流波形

从上图可看出，虽然IGBT芯片和二极管的导通次数在一个基波周期内相当，但由于调制的原因，二极管在单个开关周期内的导通时间更长，导致二极管所承受的电热应力更大，因此寿命更低。考虑到模块的短板效应，此时整流器侧IGBT模块的寿命由二极管的寿命决定。

为验证以上评估结果的合理性，可利用文献［3］中对武广线CRH3型动车3年运行期间牵引变流器中IGBT的平均故障率及寿命进行近似计算，其计算结果为：整流器侧IGBT寿命为21.6年，逆变器侧IGBT寿命为41.6年，这与文中通过对列车运行任务剖面分析所得的结果相符。

值得注意的是，文中所分析的列车为试验车，列车热载荷较小，寿命评估结果会高于实际值，因此要获取更为精确的寿命值，需要获取列车实际运行工况。同时可以看出，牵引变流器IGBT的结温与运行工况息息相关，不同的热载荷会造成不同的老化，进一步影响IGBT的寿命。因此，现有的维修策略需要进行一定优化，根据列车实际运行情况进行维修。

4 结论

文中给出了基于列车运行的任务剖面下牵引变流器的IGBT寿命评估的流程，同时利用实际获取的运行数据对试验列车的IGBT进行了寿命评估，获取到较为合理的寿命值。除此之外，分析表明列车运行工况通过影响变流器中IGBT的结温，进一步影响IGBT的寿命，而现有的固定维修策略可能造成过度修或者维修不足，因此需要根据列车运行工作制定更为适宜的维修策略。