焉 穎

（濟南鐵路局 濟南西機務(wù)段，山東濟南250021）

IGBT是20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的一種新型電力電子器件，它把 MOSFET和GTR的優(yōu)點結(jié)合在一起［1］，使它成為電力半導(dǎo)體器件的主流器件，尤其在變流領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。

1 IGBT在HXD 3型電力機車CI中的應(yīng)用

IGBT可視為雙極型大功率晶體管與功率場效應(yīng)晶體管的復(fù)合。通過施加正向門極電壓形成溝道、提供晶體管基極電流使IGBT導(dǎo)通，反之若提供反向門極電壓則可消除溝道、使IGBT因流過反向門極電流而關(guān)斷。比較而言，IGBT的開關(guān)速度低于MOSFET，卻明顯高于GTR；IGBT的通態(tài)壓降同GTR相近，但比MOSFET低得多；IGBT的電流、電壓等級與GTR接近，而比 MOSFET高，其開關(guān)損耗比兩者都低得多。而且IGBT正向著高耐壓、高頻率、大電流、低飽和壓降、高可靠、低成本的方向發(fā)展。

HXD3型電力機車主牽引變流器為牽引電機提供三相的變頻變壓電源，由整流器、逆變器（如圖1所示）、直流電路濾波電容、真空接觸器等主電路部分和無接點控制單元等控制電路部分構(gòu)成的裝置。根據(jù)車輛的速度，通過矢量控制，精確快速地控制牽引電機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。IGBT的四象限整流和逆變，對牽引和制動實行連續(xù)控制，具有低噪聲，省電力等優(yōu)點。

圖1 HXD 3機車CI整流器、逆變器單元體

整流器單元使用了模塊形IGBT元件，整流方式為二電平電壓型PWM方式，通過高速開關(guān)元件的使用以及對各組CI控制載波的相位差控制，來降低高次諧波、提高功率因數(shù)。逆變器單元同整流器單元一樣，使用了同樣的IGBT元件、謀求單元的標(biāo)準(zhǔn)化。通過高速IGBT和32b／s高速演算控制裝置的配合進行高速矢量控制，提高了電機轉(zhuǎn)矩控制響應(yīng)速度、實現(xiàn)了高黏著控制和高速的空轉(zhuǎn)慣性補償控制。

機車再生制動時，逆變器工作在整流狀態(tài)，四象限整流器工作在逆變狀態(tài)，并通過中間支流回路向主變壓器牽引繞組饋電，將再生能源回饋到接觸網(wǎng)。

2 IGBT故障現(xiàn)象及原因分析

圖2 IGBT模塊

CI部分的整流和逆變部分所采用的IGBT元件，如圖2所示。其額定電壓：4 500 V（集電極—發(fā)射極之間電壓）；額定電流900 A（集電極的有效電流值）；最大電流1 800 A；使用溫度：－40℃～125℃；絕緣耐電壓：6 000 V交流（1 min）［2］。IGBT在工作時經(jīng)常遇到各種工作狀況，如過載、橋臂直通、過高的電流增長率、過高的電壓增長率、散熱不好等，這些都會影響IGBT的正常工作［3］，導(dǎo)致IGBT性能下降，甚至燒損IGBT。即使是國外著名大公司的產(chǎn)品，IGBT模塊炸損事故也有發(fā)生。

機車運行狀態(tài)中如出現(xiàn)短路，過載等情況，可能會引起IGBT模塊粗線鍵合在芯片與金屬焊接處斷開，此時在焊點周圍會產(chǎn)生金屬蒸汽團，在模塊中建立起一種等離子體，此類情況較難進行把控。由于內(nèi)部氣體不斷膨脹，殼體受到內(nèi)部壓力而破裂。如果內(nèi)部等離子體密度、壓力很大，而外殼密封又很好，所以一旦到達極限時，就會出現(xiàn)類似壓力容器爆炸的事故，而且爆炸過程等離子體進入設(shè)備中，造成整個系統(tǒng)的嚴(yán)重損壞、甚至造成列車停留在區(qū)間，嚴(yán)重影響運輸秩序及行車安全，IGBT炸損事故如圖3所示。2010年濟南西機務(wù)段某型號機車途中發(fā)生微機顯示屏報CI3故障，并且跳主斷?；貦C務(wù)段檢查發(fā)現(xiàn)CI3整流模塊U相單元體的IGBT炸損，并且查看此故障記錄時發(fā)現(xiàn)此故障的故障記錄真實存在，如圖4所示。從CFDC2的故障信號可以得知，CI3相IGBT內(nèi)部短路故障發(fā)生的時間是2010年12月22日00點29分18秒，并且根據(jù)故障記錄中的GCFDCU，GCFDCV故障信號的電平變化，其中的V相是在U相發(fā)生故障后受到干擾導(dǎo)致的電平誤動作信號。

圖3 IGBT炸損事故

圖4 機車故障記錄數(shù)據(jù)

IGBT的失效問題如果以失效因素來分，可分3大類：第1類是內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷和制造工藝帶來的潛在失效；第2類就是各種外部應(yīng)力對其造成的失效，如電應(yīng)力（表現(xiàn)為過電壓、過電流毛刺）、熱應(yīng)力、靜電、輻射、濕度等；第3類是電路其他環(huán)境對其造成的影響，例如驅(qū)動電路、吸收電路、回路寄生電感、寄生電容等。這些環(huán)節(jié)設(shè)置不好，將加速器件的失效。

這里對HXD3機車CI部分中IGBT失效現(xiàn)象做針對性的分析。

CI單元體內(nèi)應(yīng)用的開關(guān)器件，都要經(jīng)受惡劣的運行環(huán)境、復(fù)雜的負載狀況的考驗，而IGBT模塊內(nèi)部的結(jié)構(gòu)對此狀況尤為敏感。IGBT模塊基板材料都是鋁瓷，通常稱為碳化硅鋁（AlSiC），這種材料具低膨脹系數(shù)和高熱導(dǎo)率的特性，因此稱為最理想的IGBT基板材料銅基板；襯底為金屬化的陶瓷板（稱DBC板）和芯片組成的多層結(jié)構(gòu)（如圖5所示），它們是以機械焊接方式焊接起來的。芯片是通過許多一定粗細的鋁絲用所謂粗線鍵合（超聲波鋁絲壓焊）方法與管殼的發(fā)射極連接，如圖6所示。機車上的IGBT模塊要在幾秒間隔內(nèi)承受快速變化的負載加熱和冷卻，但是每根鋁絲與芯片接觸面積僅占芯片有效面積的1／5左右，因此將產(chǎn)生芯片局部熱量變化、材料和焊接點產(chǎn)生疲勞引起的損壞。IGBT模塊在牽引狀態(tài)中應(yīng)用對熱疲勞影響較大，再加上機車在牽引過程中一直處于劇烈的三維振動狀態(tài)，對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生不可忽視的影響，加劇了失效速度。

圖5 有基板功率模塊結(jié)構(gòu)圖

圖6 芯片

為了實現(xiàn)裝置的小型化以及提高冷卻性能，對CI的冷卻采用強制循環(huán)水冷方式，利用去離子水和乙二醇的混合冷卻介質(zhì)，通過熱交換器對IGBT器件進行冷卻，具有較好的冷卻效果。CI單元體內(nèi)的IGBT模塊散熱基板材料是碳化硅鋁，而水冷的散熱板是鋁質(zhì)的，二者通過多個螺栓固定并在其間均勻涂滿導(dǎo)熱硅脂。當(dāng)機車在低溫情況下，迅速達到額定狀態(tài)，模塊內(nèi)部節(jié)壓降和開關(guān)產(chǎn)生的熱量勢必要通過DBC板和基板熱傳導(dǎo)至鋁制散熱片而進行散熱。在如此的溫度變化而材質(zhì)的熱膨脹系數(shù)不同的情況下，一定會對IGBT模塊內(nèi)部造成一定的應(yīng)力，使內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變進而引發(fā)失效。

3 防止HXD 3機車IGBT失效的技術(shù)措施

IGBT的過流保護采用了瞬態(tài)鉗位保護和軟件保護兩種。當(dāng)硬開關(guān)故障（簡稱HSF）和負載短路故障（簡稱FUL）發(fā)生后，IGBT處于短路狀態(tài)，以及密勒電容的影響，會產(chǎn)生很高的d i／d t，以至于使其進入擎住區(qū)，失控損壞。機車IGBT模塊的門極驅(qū)動電路內(nèi)具有瞬態(tài)鉗位保護的功能，當(dāng)短路故障發(fā)生后，Uce壓降升高，致使連接在C、E上的檢測二極管退飽和，進而封鎖門極驅(qū)動動作并反饋給控制單元報告錯誤，同時由軟件控制封鎖所有的驅(qū)動信號并報警，讓IGBT在進入擎住區(qū)前就自動關(guān)閉。

該種保護響應(yīng)速度快，并具有可以發(fā)出反饋信號等特點。但是瞬間的高電壓沖擊是無法避免的，尤其回路中存在寄生電感而所使用的IGBT模塊中并沒有加入RC保護電路的情況下，會造成PN結(jié)不可恢復(fù)的損傷，因此要積極避免發(fā)生過電壓故障。而在應(yīng)用過程中，機車的PG（速度傳感器）信號采集不準(zhǔn)確，會引起控制單元采集的轉(zhuǎn)速信息不正確，進而引發(fā)對四象限整流器和逆變器的失調(diào)和超調(diào)，使中間直流電壓超過3 200 V的保護值，或者對負載的扭矩調(diào)整不正確，以及各種強磁干擾信號等都會誘發(fā)過電壓故障。因此，機車定修時應(yīng)仔細檢查速度傳感器無異常，連線無損壞，插頭連接緊固，安裝可靠。為避免發(fā)生IGBT因環(huán)境高溫損壞，應(yīng)仔細檢查冷卻水管道、管道各接頭部位、各種閥類應(yīng)無漏水痕跡；檢查冷卻水位在刻線范圍內(nèi)，如果不足，在查明不足原因后，注入缺少的冷卻液；高壓試驗確認冷卻水流量達到要求（200—220 L／min）；外觀檢查冷卻泵無異常，狀態(tài)良好。

4 結(jié)束語

隨著IGBT在電力機車中的廣泛應(yīng)用，了解IGBT的原理和研究其應(yīng)用技術(shù)就顯得更為重要。通過以上對應(yīng)用在HXD3型電力機車主牽引變流器部分IGBT模塊原理及失效原因、措施的探討，希望為今后出現(xiàn)此類故障時原因查找及預(yù)防提供借鑒。

［1］黃 俊，王兆安．電力電子變流技術(shù)［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2000．

［2］中國北車集團大連機車車輛有限公司．HXD3型交流傳動貨運電力機車培訓(xùn)教材［G］．大連中國北車集團大連機車車輛有限公司，2007．

［3］Viond John Bum－Seok Sun．Circuit Protection of IGBT．Thomas A．Lipo．Fast Clamped Short IEEE．1998．