宋術(shù)全， 張藝馳， 王 驍， 徐小明， 葛興來

(1 中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 機車車輛研究所， 北京 100081；2 西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 成都 610031；3 北京縱橫機電科技有限公司， 北京 100094)

絕緣柵雙極晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)在各個領(lǐng)域的功率變換器中已廣泛應(yīng)用，如鐵路牽引、新能源發(fā)電系統(tǒng)、電動汽車等。相關(guān)的工業(yè)統(tǒng)計表明，功率模塊是功率變換器中最薄弱的元件之一，占變換器系統(tǒng)故障的20%以上[1]，動車組牽引運行工況復(fù)雜多變，功率模塊的故障率更高。功率模塊的初期成本占設(shè)備總成本的比例較低，但在動車組的整個生命周期內(nèi)，功率模塊需要多次更換和維修，造成了較高運營維護成本。因此，研究適用于功率模塊的故障數(shù)據(jù)分析和可靠性評估方法對動車組的安全運行、部件維修更換以及升級具有重要意義。

目前，國內(nèi)針對功率模塊統(tǒng)計分析研究的文章較少，并且依賴浴盆曲線多認(rèn)為功率模塊的故障分布服從指數(shù)分布[2]，但文獻[3]說明指數(shù)分布即使與部分實例相符合，也具有一定的誤導(dǎo)性。不同的失效模式下失效機理是不同的，并且假定MTTF(Mean-Time-To-Failure)為常數(shù)，不存在損耗，這與實際功率模塊存在老化不符。

文中首先對牽引變流器中功率模塊基本電氣特性以及其在變流器中分布與標(biāo)記進行分析。進一步提出故障數(shù)據(jù)的篩選、統(tǒng)計分析的原則，并以京滬線CRH380BL型動車組車A5功率模塊為例，給出統(tǒng)計分析的流程。最后針對近5年的武廣、京滬線路上不同車型的功率模塊故障信息，利用提出的統(tǒng)計分析理論對原始數(shù)據(jù)分析整理，利用分析結(jié)果為后期功率模塊的更換和優(yōu)化升級提供依據(jù)。

1 牽引變流器功率模塊分析

牽引變流器的運行環(huán)境復(fù)雜且負載變化大，承受極端的熱沖擊和劇烈的機械沖擊，功率模塊是牽引變流器中的關(guān)鍵部件，因此需要較高的可靠性。目前，IGBT封裝日益趨于模塊化，模塊化增加電流和功率處理能力，同時可以減小設(shè)計周期，使模塊更加緊湊。

圖1為英飛凌公司的IGBT模塊圖。模塊基本的電氣特性如下：集電極-發(fā)射極電壓UCES=6 500 V，連續(xù)集電極直流電流ICnom=750 A，集電極重復(fù)峰值電流ICRM=1 500 A[4]。實際應(yīng)用中，為了增加功率處理等級，將多個IGBT模塊再次封裝為實際應(yīng)用的功率模塊，功率模塊通常含有6個IGBT模塊，使用中出現(xiàn)一個IGBT模塊故障，需對整個功率模塊進行更換。

圖1 IGBT模塊實物圖

為了維修更換的便利，同時為后期信息記錄提供參考，實際應(yīng)用中對各個功率模塊進行一定的標(biāo)記，牽引變流器中功率模塊分布及標(biāo)記圖如圖2所示，一個功率模塊通常作為整流器或者逆變器的一個橋臂使用。

圖2 牽引變流器功率模塊分布示意圖

2 功率模塊統(tǒng)計分析

現(xiàn)場收集到的原始數(shù)據(jù)存在數(shù)據(jù)參數(shù)標(biāo)簽不一致，重復(fù)記錄等問題，對產(chǎn)品的可靠性分析評估造成了困難。為了保證故障數(shù)據(jù)合理有效，需要明確故障判據(jù)與故障統(tǒng)計原則，接著利用處理后數(shù)據(jù)進行故障發(fā)生規(guī)律分析。

2.1 統(tǒng)計原則

主要是分析功率模塊的故障時間分布規(guī)律，產(chǎn)品故障間隔時間(距離)是指產(chǎn)品相鄰兩次故障間的工作時間(距離)[5]。功率模塊故障間隔時間是指模塊從投入使用到發(fā)生故障后更換的工作時間。

現(xiàn)場的故障通常分為關(guān)聯(lián)性故障和非關(guān)聯(lián)性故障。預(yù)期會在現(xiàn)場使用中出現(xiàn)的故障稱為關(guān)聯(lián)故障，如零部件缺陷造成的故障、損耗件在壽命期內(nèi)發(fā)生的故障等。非關(guān)聯(lián)性故障指已經(jīng)證實是未按規(guī)定的條件使用而引起的故障，或已證實屬某項不采用的設(shè)計所引起的故障，從屬故障、誤用及人為因素、非使用條件下使用等引起的故障等都屬于非關(guān)聯(lián)性故障。統(tǒng)計中，凡被判為非關(guān)聯(lián)性故障的應(yīng)不計為故障。

當(dāng)獲取到所有關(guān)聯(lián)性故障數(shù)據(jù)后，需要進一步數(shù)據(jù)處理，原則如下：

(1)同一位置的同一部件如能確定不屬于重復(fù)記錄的故障信息，應(yīng)參與故障信息統(tǒng)計，其部件運行時間為本次故障時間減去上一次記錄的故障時間。

3.3.2 高風(fēng)險餐飲服務(wù)單位。從事高風(fēng)險餐飲服務(wù)活動的單位，包括集體用餐配送膳食、大型以上飯店、規(guī)模以上連鎖餐飲企業(yè)。

(2)若同一位置的同一部件多次發(fā)生故障，第2次及以上故障時里程數(shù)相對第1次故障里程太小時，暫不參與該部件壽命統(tǒng)計。如果第2次及以上故障時里程數(shù)不影響部件壽命分布特點，應(yīng)參與統(tǒng)計。

文中選取了京滬線CRH380BL型動車組車A5功率模塊的故障數(shù)據(jù)為一個樣本(見表1)，其中的數(shù)據(jù)均為關(guān)聯(lián)故障數(shù)據(jù)。

表1 A5模塊故障時間表

查閱原始數(shù)據(jù)可知，故障天數(shù)2和692同屬同一輛車的相同位置，根據(jù)數(shù)據(jù)處理原則，二者顯然不是一個數(shù)量級，故應(yīng)該刪去故障間隔時間為2的信息。

2.2 統(tǒng)計規(guī)律分析

故障數(shù)據(jù)通常服從一定的分布規(guī)律，文中利用表1獲取數(shù)據(jù)，先畫出故障時間頻數(shù)直方圖，A5功率模塊的故障頻數(shù)直方圖如3所示，根據(jù)直方圖初步判斷可能服從的分布為正態(tài)分布、對數(shù)正態(tài)分布、威布爾分布、三參數(shù)威布爾分布。然后利用Anderson-Darling擬合優(yōu)度檢驗和P值對所有可能服從的分布進行檢驗，并利用極大似然法估計分布參數(shù)。

P值(Probability value)是一個概率，用來度量否定原假設(shè)的證據(jù)，其范圍為0到1，概率越低，否定原假設(shè)的證據(jù)越充分[6]。

Anderson-Darling(AD)檢驗量是通過計算分布函數(shù)和經(jīng)驗概率密度函數(shù)之間的AD距離來衡量樣本是否滿足特定的分布，即判斷原來假定的分布是否成立；AD檢驗與χ2檢驗相比對樣本豐富度要求較低，并且性能比Kolmogorov-Smirnov等二次距離檢驗效能較優(yōu)[7]。AD驗通過比較An2值得大小，在顯著性水平α下，將4個可能分布An2值相比較，選擇值較小者為最優(yōu)分布。實際工程中，樣本值x通常為離散的，因此常用式(1)來計算An2。

(1)

式中，zi=F(xi)為概率積分變換函數(shù)。

選定分布之后，利用極大似然估計[8]對服從的分布參數(shù)進行估計，進而得到模塊的故障概率密度函數(shù)、可靠度函數(shù)等統(tǒng)計信息，圖3同時給出了頻數(shù)擬合效果圖，可以看到擬合分布與實際故障頻數(shù)分布相近。對于其他功率模塊，采用相同的流程處理。

表2 A5模塊壽命分布擬合檢驗表

圖3 A5模塊故障頻數(shù)擬合圖

3 功率模塊可靠性評估

針對京滬線路CRH380BL型與武廣線CRH3、CRH380BL型動車組在運行過程中功率模塊發(fā)生的故障數(shù)據(jù)，對牽引變流器中的整流器和逆變器中每個功率模塊進行分析，并進行總體的分析對比。每條線路以及相關(guān)車型的壽命分析結(jié)果如表3所示。

3.1 整流器與逆變器功率模塊對比分析

對比所有故障數(shù)據(jù)可以看出，整流器功率模塊的故障次數(shù)高于逆變器的功率模塊的故障次數(shù)，可以得出，整流器功率模塊的可靠性較高于逆變器功率模塊，同時平均壽命也基本顯示出相同的特性。造成這樣的原因可能是由于四象限整流器的控制需要保持功率因數(shù)接近于1，由于環(huán)境因素造成控制不當(dāng)容易造成整流器過流,從而影響整流器功率模塊壽命。此外，過分相、突切負載、主斷路器動作等工況都會對整流部分功率模塊造成沖擊，而工況、控制切換對于逆變器影響較小，再加上中間直流環(huán)節(jié)有穩(wěn)壓穩(wěn)流和濾波的作用，為逆變器部分的功率模塊提供了較好的運行環(huán)境，因此整流部分功率模塊故障次數(shù)要多于逆變器部分功率模塊的故障次數(shù)。

根據(jù)以上對比分析，在維修過程中應(yīng)該側(cè)重整流器功率模塊的監(jiān)測，在功率模塊的優(yōu)化升級中，應(yīng)該著重提高整流器的功率模塊的可靠性。

3.2 武廣線CRH380BL動車組與CRH3動車組對比分析

武廣線CRH380BL動車組在近5年的整體故障次數(shù)明顯少于CRH3動車組。其中CRH3動車組牽引變流器的故障次數(shù)是CRH380BL動車組的3倍，同時CRH380BL整流器與逆變器的平均壽命明顯高于CRH3。再對比故障統(tǒng)計的日期可以發(fā)現(xiàn)CRH3型動車組與各個線路的CRH380BL動車組統(tǒng)計故障的持續(xù)時間并沒有太大差別，可以排除因為原始數(shù)據(jù)統(tǒng)計時間的因素。由此可以得知，CRH380B系列動車組的牽引變流器的可靠性是高于CRH3型動車組的。

對其產(chǎn)生原因進行分析，CRH3型動車組是引進西門子公司技術(shù)改造的客運列車，CRH380B系列動車組是在CRH3C型電力動車組基礎(chǔ)上創(chuàng)新研制的動車組，性能優(yōu)化主要以提高牽引功率、降低傳動比以及動車組氣動外形減阻為主，因此在相同的牽引輸出下，CRH380B牽引變流器輸出功率較小，電流沖擊與熱沖擊對功率模塊的損傷也相對較小，因此功率模塊的可靠性較高。

同時從故障數(shù)據(jù)的分布可以看出，在統(tǒng)計的時間段內(nèi)，CRH3型動車組故障主要發(fā)生在前期，后期故障次數(shù)較少，而CRH380BL動車組的故障在這個統(tǒng)計時間段分布較為均勻，但故障頻次總體低于CRH3型動車組故障頻次。這說明在列車升級優(yōu)化后，動車組的可靠性確實有一定提升，但到了運營后期故障發(fā)生卻沒有得到較好改善，說明功率模塊性能的持續(xù)性和器件耐受性還有待提高。

3.3 京滬線、武廣線兩條線路動車組對比分析

對比武廣線和京滬線數(shù)據(jù)，可以看到武廣線兩組數(shù)據(jù)分析的牽引變流器期望壽命均小于京滬線，排除車型優(yōu)化升級的因素，因此從線路以及運行狀況分析，武廣線經(jīng)過了亞熱帶和熱帶兩個氣溫帶，沿路運行時溫差和濕度較大，多變的氣溫濕度環(huán)境對電力電子器件的損耗更大，功率模塊的老化失效更快。再加上武廣線沿路經(jīng)過很多丘陵地帶(湖南中南部及廣東北部大部分地區(qū)屬于丘陵地區(qū))，上坡下坡較多，牽引變流器工況更復(fù)雜，這也是導(dǎo)致武廣線牽引變流器功率模塊可靠性更低，期望壽命更短。而京滬線大部分處于華北，空氣相對干燥，沿路運行時溫差較小，并且動車組多運行在平緩鐵路橋梁上，工況變化相對較少，因此對功率模塊的損傷較小，可靠性較高，期望壽命更長。

表3 京滬線、武廣線各車型功率模塊統(tǒng)計分析表

注：考慮到精度故障次數(shù)少于5次不進行壽命分布分析，只將其計入總體部分進行分析

4 結(jié) 論

對武廣線、京滬線以及不同車型的故障數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析，可以得到以下結(jié)論：

(1)動車組的牽引變流器中整流器的功率模塊的可靠性低于逆變器的功率模塊，因此在以后的維修和升級改造中應(yīng)注重提高整流器的功率模塊的可靠性；

(2)CRH380B系列功率模塊雖然可靠性高于CRH3型動車組，但隨其運行時間增加，故障發(fā)生率沒有較大改善，因此其功率模塊的可靠性能和耐用性需要進一步提升；

(3)在動車組的維修中，希望能夠結(jié)合動車組運行線路以運行過程中的實際工況與運行環(huán)境做進一步分析后確定其相應(yīng)的維修周期，這樣不僅可以提高器件的可靠性，同時節(jié)約維修成本。