周 勇

(江蘇經(jīng)緯軌道交通設(shè)備有限公司，江蘇 蘇州 215104)

地鐵牽引系統(tǒng)主要由牽引變流器、輔助電源、牽引電動(dòng)機(jī)、制動(dòng)電阻構(gòu)成，為適應(yīng)地鐵運(yùn)行時(shí)頻繁啟動(dòng)、加速、制動(dòng)的工況，牽引系統(tǒng)經(jīng)常在短時(shí)過載工況下工作，導(dǎo)致牽引變流器頻繁輸出大電流。在頻繁的寬幅電壓和電流沖擊及溫度、濕度、鹽霧、粉塵、振動(dòng)等環(huán)境應(yīng)力的疊加沖擊下，牽引系統(tǒng)保持高可靠性工作面臨巨大挑戰(zhàn)。

根據(jù)國內(nèi)外行業(yè)應(yīng)用數(shù)據(jù)，牽引系統(tǒng)電氣相關(guān)失效重點(diǎn)器(部)件主要集中在功率半導(dǎo)體(國內(nèi)超過99%的地鐵項(xiàng)目使用IGBT作為功率器件)、控制器(電子板卡類)、支撐電容、電動(dòng)機(jī)軸承、電動(dòng)機(jī)絕緣、開關(guān)類觸頭(高速斷路器、線路接觸器等)部分。上述器(部)件失效的根本原因均不同且復(fù)雜，尤以廣泛使用的功率半導(dǎo)體IGBT失效原因最難排查分析。

1 IGBT失效率統(tǒng)計(jì)

以蘇州地鐵2號(hào)線列車牽引系統(tǒng)為例，列車采用國內(nèi)唯一的5輛車編組方式，編組形式為：Tc(拖車)+Mp1(動(dòng)車)+M(動(dòng)車)+Mp2(動(dòng)車)+Tc(拖車)。列車最大運(yùn)行速度為80 km/h，平均旅行速度為35 km/h，采用DC 1 500 V制式供電。

牽引逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用2電平經(jīng)典拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，1臺(tái)牽引變流器驅(qū)動(dòng)4臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

IT1、IT2、IT3、IT4、IT5、IT6.功率器件；FVMD.直流側(cè)電壓檢測(cè)裝置；ACMD、BCMD.交流側(cè)電流檢測(cè)裝置；PH1、PH2、PH3.交流三相輸出；ABVMD、ACVMD.交流輸出電壓檢測(cè)裝置；M1-1、M1-2、M2-1、M2-2.牽引電動(dòng)機(jī)。

該型地鐵列車于2013年底正式開通運(yùn)營，列車運(yùn)營半年后，出現(xiàn)IGBT失效率偏高的情況，具體統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所示。由表1可以看出，發(fā)生IGBT失效的車號(hào)分布廣，在不同動(dòng)車車型上都有發(fā)生，IGBT失效發(fā)生的具體位置均離散且無規(guī)律，且在幾個(gè)月時(shí)間發(fā)生失效的概率過高。

表1 蘇州地鐵2號(hào)線列車IGBT失效統(tǒng)計(jì)

IGBT失效率通常為100FIT(FIT指正常工作的產(chǎn)品在規(guī)定時(shí)間之后，產(chǎn)品中喪失其規(guī)定的功能的產(chǎn)品所占比例)左右[1]。由于IGBT屬于失效后不可修復(fù)器件，不可以用平均故障間隔時(shí)間(MTBF)來描述其平均壽命，只能用平均失效前時(shí)間(MTTF)來描述。將FIT表示的IGBT失效率轉(zhuǎn)化為MTTF，其值為107h。通過對(duì)理論可靠性數(shù)據(jù)與實(shí)際失效數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)實(shí)際失效率遠(yuǎn)高于理論數(shù)值。

2 IGBT失效原因排查

IGBT失效的主要原因分為6類，具體分類見圖2。本文中IGBT型號(hào)為FZ1500R33HE3，在行業(yè)內(nèi)有廣泛應(yīng)用，其在國內(nèi)其他項(xiàng)目應(yīng)用中未反饋故障率高，且上述統(tǒng)計(jì)中IGBT失效的位置呈現(xiàn)散點(diǎn)分布，無明顯規(guī)律性。

Uce.集電極-發(fā)射極電壓；Uge.柵極-發(fā)射極電壓；du/dt.電壓變化率；ESD.靜電釋放；di/dt.電流變化率。

依據(jù)IGBT失效主要原因分類和發(fā)生失效的現(xiàn)象及初步分析，確定4個(gè)排查方向，即制造端裝配質(zhì)量和工藝排查、應(yīng)用設(shè)計(jì)排查、驅(qū)動(dòng)和保護(hù)排查、器件批量制成問題排查，需對(duì)這幾個(gè)可能造成IGBT提前失效的方向進(jìn)行逐一排查。

2.1 制造端裝配質(zhì)量和工藝排查

首先分析產(chǎn)品制造端裝配質(zhì)量和工藝可能造成IGBT失效的原因，并對(duì)發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行整改， 具體排查重點(diǎn)包括：靜電釋放、機(jī)械應(yīng)力沖擊、安裝力矩偏差、螺栓緊固工序、導(dǎo)熱硅脂厚度超差以及散熱器安裝面平面度超差或結(jié)構(gòu)損傷。

經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)存在部分制造端裝配問題，針對(duì)發(fā)現(xiàn)的問題，采取以下整改措施：

(1) 通過加強(qiáng)工人操作規(guī)范性，杜絕個(gè)別違規(guī)操作現(xiàn)象，確保IGBT安裝中沒有受到人為操作造成的靜電釋放損傷和機(jī)械應(yīng)力沖擊；

(2) 通過工序、工藝檢查，確保裝配工人安裝螺栓緊固順序正確，緊固力矩滿足工藝要求；

(3) 通過購買設(shè)備(導(dǎo)熱硅脂自動(dòng)涂覆機(jī))替代人工涂覆操作，杜絕人為操作錯(cuò)誤和失誤，保證導(dǎo)熱介質(zhì)厚度和均勻度達(dá)到熱阻的最佳設(shè)計(jì)值；

(4) 通過加強(qiáng)供應(yīng)商來料檢測(cè)和裝配前檢查，保證散熱器安裝面的平面度滿足設(shè)計(jì)公差，安裝面無劃痕、凹點(diǎn)等缺陷。

2.2 應(yīng)用設(shè)計(jì)排查

制造端裝配質(zhì)量和工藝排查整改過后，IGBT失效問題仍時(shí)有發(fā)生，說明沒有從根本上解決問題。與制造原因排查同時(shí)進(jìn)行的應(yīng)用設(shè)計(jì)排查主要從以下4個(gè)方面進(jìn)行：器件選型設(shè)計(jì)、電流沖擊超限、電壓沖擊超限、溫度沖擊超限。

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)列車負(fù)載周期內(nèi)的電流沖擊、電壓沖擊、溫度沖擊，與設(shè)計(jì)值、器件安全工作區(qū)耐受值進(jìn)行比對(duì)，分析判斷失效是否由上述3種沖擊之一或疊加造成。列車正線運(yùn)行時(shí)的牽引負(fù)載周期見圖3。

圖3 蘇州地鐵2號(hào)線列車正線運(yùn)行時(shí)的牽引負(fù)載周期

圖3中藍(lán)色方框?yàn)榱熊囃窘?jīng)站點(diǎn)，從上述列車運(yùn)行時(shí)的牽引負(fù)載周期可以看出，列車牽引系統(tǒng)頻繁短時(shí)過載。列車運(yùn)行全程電網(wǎng)電流的有效值為756 A，峰值為2 400 A，牽引工況下每臺(tái)牽引電動(dòng)機(jī)電流有效值為91 A，制動(dòng)工況下每臺(tái)牽引電動(dòng)機(jī)電流有效值為114 A；每臺(tái)牽引電動(dòng)機(jī)的相電流峰值可達(dá)200 A。

上述牽引負(fù)載均屬于行業(yè)平均水平，不存在超過行業(yè)正常應(yīng)用的特殊(惡劣)工況。通過正線列車運(yùn)行實(shí)際數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)值比對(duì)，沒有發(fā)現(xiàn)超出安全工作區(qū)的電流和電壓沖擊。

根據(jù)列車正線運(yùn)行的負(fù)載周期，代入熱仿真工具可得到表2數(shù)據(jù)。通過對(duì)比熱設(shè)計(jì)邊界(125 ℃)、器件標(biāo)稱工作溫度限值(150 ℃)和上述實(shí)測(cè)散熱器溫度(92 ℃)及熱成像，功率器件的熱設(shè)計(jì)裕量預(yù)留合理，散熱設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)要求，沒有發(fā)現(xiàn)溫度沖擊超過設(shè)計(jì)限值的情況。綜合判斷電壓沖擊、電流沖擊、溫度沖擊均在器件的安全工作區(qū)內(nèi),因此IGBT的應(yīng)用設(shè)計(jì)選型沒有問題。

表2 牽引功率單元工作循環(huán)溫度仿真結(jié)果 ℃

2.3 驅(qū)動(dòng)和保護(hù)排查

本項(xiàng)目IGBT驅(qū)動(dòng)采用光耦隔離驅(qū)動(dòng)方式，抗干擾性強(qiáng)，采用高速多級(jí)保護(hù)策略，經(jīng)過國內(nèi)外長時(shí)間的項(xiàng)目應(yīng)用考驗(yàn)，存在問題的可能性很小。即便如此，為了排查失效原因，重新進(jìn)行了以下相關(guān)試驗(yàn)：過壓保護(hù)試驗(yàn)、過流保護(hù)試驗(yàn)、短路保護(hù)試驗(yàn)、du/dt保護(hù)試驗(yàn)、di/dt保護(hù)試驗(yàn)、過溫保護(hù)試驗(yàn)。

經(jīng)上述試驗(yàn)驗(yàn)證，全部保護(hù)參數(shù)和動(dòng)作設(shè)計(jì)合理，未發(fā)現(xiàn)與實(shí)際失效現(xiàn)象相關(guān)的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)問題。

2.4 器件批量制成問題排查

除了制造端裝配質(zhì)量和工藝、應(yīng)用設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)和保護(hù)外，器件批量制成問題也會(huì)造成IGBT應(yīng)用失效。如果是器件批量制成問題，邏輯上應(yīng)該還有其他項(xiàng)目出現(xiàn)類似問題。對(duì)比同型號(hào)、同批次IGBT在3個(gè)不同城市(蘇州、新加坡、慕尼黑)地鐵應(yīng)用中的失效率，發(fā)現(xiàn)失效率在全年12個(gè)月中隨著應(yīng)用環(huán)境溫度和濕度變化呈現(xiàn)不同趨勢(shì)，見圖4。

圖4 同型號(hào)、同批次IGBT在3個(gè)城市地鐵應(yīng)用中的失效率

如圖4(a)所示，蘇州全年濕度總體較高，6～10月月平均濕度在較高的基礎(chǔ)上還有小幅提高，月平均濕度達(dá)到75%；月平均溫度呈現(xiàn)“凸”形趨勢(shì)，IGBT失效率曲線與溫度曲線呈現(xiàn)相同趨勢(shì)。從圖4(b)中可以看出，新加坡全年高溫、高濕，在該環(huán)境下IGBT失效率全年處于高峰值水平；IGBT失效率曲線和溫度曲線、濕度曲線呈現(xiàn)相同趨勢(shì)。從圖4(c)中可以發(fā)現(xiàn)，慕尼黑1—12月濕度曲線呈現(xiàn)“凹”形趨勢(shì)，溫度曲線呈現(xiàn)“凸”形趨勢(shì)，但溫度曲線高溫峰值低于18 ℃，在該環(huán)境下IGBT失效率全年處于低值。在不同應(yīng)用環(huán)境下，IGBT失效率曲線與溫度曲線、濕度曲線趨勢(shì)完全不同。

綜合上述同型號(hào)、同批次IGBT在不同應(yīng)用環(huán)境條件下的表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：高溫、高濕疊加工況下IGBT失效率明顯增高。為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述結(jié)論，蘇州售后現(xiàn)場(chǎng)針對(duì)IGBT失效的時(shí)間、天氣、運(yùn)營里程進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)(表3)，并分析了IGBT失效率與溫度、濕度的關(guān)系(圖5)。

圖5 IGBT失效率與溫度、濕度關(guān)系

表3 同型號(hào)、同批次IGBT在不同應(yīng)用環(huán)境下失效統(tǒng)計(jì)

依據(jù)上述統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)生失效當(dāng)天，全部是高濕度天氣(雨天、多云、陰天)，且57%的失效出現(xiàn)在高溫季節(jié)(5～10月)，43%的失效出現(xiàn)在非高溫季節(jié)，經(jīng)查詢失效當(dāng)日氣溫，也為高出月平均氣溫的異常高溫。據(jù)此可以初步判定：高濕度和高溫度是導(dǎo)致IGBT失效的外部原因。

由于同型號(hào)、不同批次的IGBT未出現(xiàn)上述統(tǒng)計(jì)規(guī)律，上述分析的結(jié)果并不能從根本上解釋失效原因。根本原因分析進(jìn)一步導(dǎo)向器件批量制成問題。為此，與IGBT制造企業(yè)進(jìn)行協(xié)同分析，得到IGBT制造企業(yè)反饋，該批次產(chǎn)品與其他批次同型號(hào)產(chǎn)品主要差異如下：

(1) 芯片與散熱基板之間的陶瓷襯板厚度相對(duì)于同型號(hào)其他批次略有縮減(0.2 mm)，陶瓷襯板位置見圖6。

(2) 封裝填充的耐高溫有機(jī)硅凝膠(圖6中的硅膠)與其他批次的型號(hào)成分存在差別，主要體現(xiàn)在防水性能方面(防水性能下降)。

圖6 IGBT結(jié)構(gòu)示意圖

綜上，IGBT失效的原因?yàn)椋篒GBT單一批次更改設(shè)計(jì)導(dǎo)致該批次產(chǎn)品封裝的防水性能和內(nèi)部絕緣性能下降，在高溫和高濕環(huán)境應(yīng)力疊加作用下，異常批次產(chǎn)品的耐高溫有機(jī)硅凝膠無法抵御空氣中水分侵入，造成器件內(nèi)部絕緣環(huán)境劣化，加之絕緣陶瓷襯板變薄，進(jìn)一步減低了器件的絕緣性能，導(dǎo)致IGBT失效。在上述四重因素疊加下，即使對(duì)器件的控制和保護(hù)做到科學(xué)合理也無法對(duì)內(nèi)部絕緣失效的IGBT進(jìn)行有效保護(hù)，最終導(dǎo)致IGBT失效率大幅增高。

3 可靠性提升措施

為減少IGBT失效率，提高IGBT可靠性，可采取以下措施：

(1) 針對(duì)外部原因造成的溫度和濕度“雙高”的工作環(huán)境條件進(jìn)行人為干預(yù)。在防護(hù)等級(jí)為IP55的箱體內(nèi)部增加干燥劑，使?fàn)恳孀兤飨潴w內(nèi)工作的IGBT避免高溫和高濕2種工況的疊加，人工制造“小環(huán)境”，并對(duì)干燥劑進(jìn)行定期檢查和更換。

(2) 針對(duì)器件本身的內(nèi)部原因，更換非問題批次IGBT器件。

(3) 新產(chǎn)品研發(fā)在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)都可行的前提下，提高牽引逆變器箱體非冷卻風(fēng)道區(qū)(封閉區(qū))防護(hù)等級(jí)；在箱體內(nèi)部設(shè)置主動(dòng)除濕裝置；箱體封閉區(qū)(電氣、電子元件工作區(qū))改造為惰性氣體正壓艙，排除空氣中對(duì)絕緣不利的水分和對(duì)元器件有氧化作用的氣體成分；新IGBT或成熟應(yīng)用但經(jīng)過設(shè)計(jì)改動(dòng)的IGBT在應(yīng)用前必須進(jìn)行有效的可靠性測(cè)試或小批量試點(diǎn)驗(yàn)證，通過后可大批量應(yīng)用。

通過采取第1項(xiàng)整改措施，IGBT失效率明顯降低，達(dá)到運(yùn)營考核要求。但由于之前累積的濕度侵入，還是有少部分失效延續(xù)。通過采取第2項(xiàng)整改措施，可徹底解決IGBT異常失效的問題，使IGBT失效率與國內(nèi)其他項(xiàng)目IGBT正常失效率持平，事實(shí)證明整改措施合理、有效。第3項(xiàng)措施從改善電氣、電子元器件工作環(huán)境入手，可有效地抑制IGBT絕緣劣化和氧化，提升系統(tǒng)的電氣可靠性，延長系統(tǒng)的使用壽命。

4 總結(jié)

IGBT作為地鐵牽引系統(tǒng)的核心器件，控制和保護(hù)技術(shù)難度大，在實(shí)際應(yīng)用中，造成其失效原因繁多、復(fù)雜，且存在多種因素疊加，為分析失效原因造成諸多困難。本文通過問題排查的方式最終找到了導(dǎo)致IGBT失效的根本原因，并提出了可靠性措施，可為行業(yè)內(nèi)IGBT失效分析提供參考。