江 騰，鄭吳富，姜送來(lái)

(南寧軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司運(yùn)營(yíng)分公司，廣西 南寧 530001)

0 引言

目前國(guó)內(nèi)軌道交通車(chē)輛輔助電源系統(tǒng)普遍采用25 kW容量的充電機(jī)模塊，整列車(chē)供電除主電路牽引系統(tǒng)外，其余皆由輔助電源系統(tǒng)提供電。充電機(jī)模塊屬于輔助系統(tǒng)的一部分，其與輔助逆變器由一個(gè)控制單元控制。當(dāng)充電機(jī)模塊發(fā)生IGBT擊穿故障時(shí)，輔助控制單元立即報(bào)SIV嚴(yán)重故障且停止工作，此時(shí)AC380V供電中斷，正線運(yùn)營(yíng)時(shí)，除牽引系統(tǒng)以外的其他系統(tǒng)皆無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致列車(chē)下線，嚴(yán)重需要救援。本文針對(duì)軌道交通車(chē)輛充電機(jī)模塊IGBT擊穿問(wèn)題進(jìn)行深入分析，并提出相應(yīng)解決方案。

1 故障情況

南寧軌道交通某項(xiàng)目車(chē)輛在庫(kù)內(nèi)激活升弓后，查看HMI時(shí)發(fā)現(xiàn)TC1車(chē)“輔逆/充電機(jī)”圖標(biāo)顯紅，事件信息報(bào)“TC1車(chē)SIV BGDU充電機(jī)門(mén)極反饋故障、TC1車(chē)SIV 200C逆變輸出200%過(guò)載”，重啟列車(chē)后，車(chē)底傳來(lái)“砰”的爆炸聲。查看SIV空開(kāi)未跳閘，降弓后下載SIV、EDRM數(shù)據(jù)分析報(bào)SIV BGDU 充電機(jī)門(mén)極反饋故障。斷網(wǎng)激活后對(duì)車(chē)下輔助逆變器箱進(jìn)行開(kāi)箱檢查，發(fā)現(xiàn)TC1車(chē)右側(cè)輔助逆變器箱的充電機(jī)模塊冒出白煙，并伴有燒焦的味道。拆下充電機(jī)模塊檢查發(fā)現(xiàn)電阻R8、R9已炸裂且不在原位置(見(jiàn)圖1)；更換新的充電機(jī)模塊后激活列車(chē)升弓測(cè)試，列車(chē)功能恢復(fù)正常。

圖1 充電機(jī)模塊內(nèi)的R8電阻和R9電阻已炸裂

對(duì)拆下的充電機(jī)模塊進(jìn)行進(jìn)一步檢查，R8、R9電阻為預(yù)充電電路電阻，2個(gè)電阻的型號(hào)和阻值一樣。由于報(bào)充電機(jī)管故障，故使用萬(wàn)用表測(cè)量IGBT的二極管VT1、VT2，發(fā)現(xiàn)VT1正反導(dǎo)通(見(jiàn)圖2)，VT2正常，判斷為VT1擊穿導(dǎo)致電流瞬間變大，使得R8、R9充電電阻發(fā)熱而炸裂。

圖2 測(cè)量二極管VT1反向?qū)?/p>

2 故障原因分析

2.1 數(shù)據(jù)分析

下載數(shù)據(jù)分析，故障時(shí)刻，充電機(jī)模塊管故障變?yōu)楦唠娖?，?jīng)過(guò)11 ms后，報(bào)逆變輸出200%過(guò)載故障，此時(shí)W相、V相電流均超過(guò)950 A保護(hù)門(mén)檻，觸發(fā)200%過(guò)載保護(hù)，如圖3所示。

圖3 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄

從數(shù)據(jù)分析可以看出，故障源頭為IGBT故障，首先報(bào)IGBT故障，故障后進(jìn)行了保護(hù)，此時(shí)IGBT還未擊穿；第二次報(bào)IGBT故障時(shí)，由于IGBT已擊穿，造成200%過(guò)流保護(hù)，大電流瞬間通過(guò)預(yù)充電電阻，從而引起電阻發(fā)熱爆炸。

2.2 充電機(jī)模塊原理分析

第一次故障發(fā)生后，VT1或VT2擊穿，充電機(jī)報(bào)出門(mén)極反饋故障停機(jī)。手動(dòng)復(fù)位后，充電機(jī)再次發(fā)出門(mén)極脈沖，當(dāng)VT1、VT2兩個(gè)IGBT同時(shí)導(dǎo)通后，中間電壓直通短路，故障保護(hù)接觸器KM1跳開(kāi)，如果輸入端有AC380 V電壓，則電流會(huì)通過(guò)線路導(dǎo)通(見(jiàn)圖4)，電流通過(guò)預(yù)充電電阻R8、R9電阻，再經(jīng)過(guò)VD1整流后的正極，經(jīng)過(guò)VT1、VT2與VD1整流后的負(fù)極直接短路，長(zhǎng)時(shí)間短路，則引起電阻發(fā)熱炸裂。根據(jù)原理分析，如果首次故障后，充電機(jī)未再次啟動(dòng)，則故障不會(huì)發(fā)生擴(kuò)大，充電機(jī)模塊不會(huì)發(fā)生爆炸。

圖4 充電機(jī)模塊電路原理圖

2.3 保護(hù)邏輯分析

當(dāng)充電機(jī)模塊IGBT管故障時(shí)，充電機(jī)控制單元發(fā)送最小脈寬，檢測(cè)到管故障反饋信號(hào)，控制單元報(bào)管故障并封鎖IGBT門(mén)極脈沖及指令，跳開(kāi)短接接觸器KM1(見(jiàn)圖4)，這樣即使充電機(jī)前端有AC380 V，充電機(jī)后端開(kāi)路，無(wú)法形成回路，不會(huì)對(duì)預(yù)充電電阻造成損傷。但手動(dòng)復(fù)位后進(jìn)行第二次上電，充電機(jī)再次發(fā)出門(mén)極脈沖，VT1/VT2兩個(gè)IGBT同時(shí)導(dǎo)通后，中間電壓直通，大電流通過(guò)R8、R9電阻發(fā)熱而炸裂。充電機(jī)邏輯保護(hù)原理圖如圖5所示。

圖5 充電機(jī)邏輯保護(hù)原理圖

2.4 R8、R9電阻原理分析

R8、R9為預(yù)充電電路電阻，WKM1閉合之前，控制單元通過(guò)R8、R9充電電阻發(fā)送小電流檢測(cè)整個(gè)回路無(wú)異常后閉合KM1，R8、R9為100 Ω/75 W電阻，通過(guò)R8、R9電阻的電流I=U/R=380 V/100 Ω=3.8 A，消耗在電阻上的功耗P=I2R=3.8 A×3.8 A×100 Ω=1 444 W。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T5732的規(guī)定，電阻可承受750 W持續(xù)5 s的過(guò)載能力，這個(gè)過(guò)載能力在正常使用中余量足夠大，但在短路等異常情況下承受1 444 W的功耗，如果時(shí)間過(guò)長(zhǎng)則會(huì)引起電阻發(fā)熱而炸裂。

2.5 IGBT原理分析

1)IGBT全名為絕緣柵雙極型晶體管，見(jiàn)圖6(b)，由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)組成復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，見(jiàn)圖6(a)。控制IGBT通斷，靠的是柵射極的電壓，當(dāng)柵射極加+12 V(大于6 V，一般取12～15 V)時(shí)IGBT導(dǎo)通，柵射sh極不加電壓或者是加負(fù)壓時(shí)，IGBT關(guān)斷。如IGBT柵極與發(fā)射極之間的電壓即驅(qū)動(dòng)電壓過(guò)低，則IGBT不能穩(wěn)定正常地工作，如果過(guò)高超過(guò)柵極——發(fā)射極之間的耐壓，則IGBT可能永久性損壞；同樣，如果加在IGBT集電極與發(fā)射極允許的電壓超過(guò)集電極——發(fā)射極之間的耐壓，流過(guò)IGBT集電極——發(fā)射極的電流超過(guò)集電極——發(fā)射極允許的最大電流，IGBT的結(jié)溫超過(guò)其結(jié)溫的允許值，IGBT可能會(huì)永久性損壞。

圖6 IGBT原理圖

2)通過(guò)分析IGBT擊穿原因，發(fā)現(xiàn)可能在關(guān)斷時(shí)有過(guò)高的電壓峰值U=L×dI/dt，當(dāng)控制信號(hào)波形異常時(shí)，IGBT收到的脈沖異常，使得集電極與發(fā)射極之間電壓波動(dòng)異常而高于最高工作電壓，短時(shí)間內(nèi)IGBT過(guò)熱燒壞擊穿，最終得出結(jié)論：可能為IGBT從閉合到打開(kāi)過(guò)程中電流突然波動(dòng)造成尖峰電壓，導(dǎo)致IGBT擊穿。

2.6 列車(chē)模擬測(cè)試

1)為驗(yàn)證IBGT擊穿原因是否為控制信號(hào)異常造成，在庫(kù)內(nèi)選取一輛電客車(chē)，重復(fù)進(jìn)行斷網(wǎng)激活和升降弓測(cè)試，約進(jìn)行50次升降弓測(cè)試時(shí)，故障重現(xiàn)；HMI報(bào)“TC1 SIV SLIF 生命信號(hào)故障、TC1車(chē)SIV BGDU充電機(jī)門(mén)極反饋故障。拆下充電機(jī)模塊檢查測(cè)量，發(fā)現(xiàn)IGBT二極管反向?qū)?，證明IGBT已擊穿。

2)下載數(shù)據(jù)分析TC1車(chē)SIV交流輸出正常，充電機(jī)輸出正常，但此次發(fā)現(xiàn)報(bào)FPGA判斷CPLD生命信號(hào)故障，如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)記錄FPGA生命信號(hào)故障

3)進(jìn)一步分析生命信號(hào)故障，查看板件內(nèi)應(yīng)用軟件邏輯與逆變生命信號(hào)正常。但發(fā)現(xiàn)FPGA、CPLD、ARM1中間層、ARM2中間層、ARM1邏輯層生命信號(hào)無(wú)變化(見(jiàn)圖8)，這些信號(hào)由FPGA內(nèi)部轉(zhuǎn)發(fā)，進(jìn)一步判斷生命，故障時(shí)由FPGA引起。

圖8 故障時(shí)生命信號(hào)無(wú)變化

2.7 實(shí)驗(yàn)室模擬測(cè)試

為排查故障，將故障件更換IGBT后，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)將充電機(jī)模塊與控制單元搭建聯(lián)合測(cè)試平臺(tái)，按照列車(chē)上電實(shí)際工況進(jìn)行帶載測(cè)試，并通過(guò)示波器追蹤記錄(見(jiàn)圖9)，充電機(jī)模塊輸入端持續(xù)加載AC380 V，對(duì)充電機(jī)模塊輸出進(jìn)行10 A、20 A、70 A、50 A等不同負(fù)載的工況模擬試驗(yàn)，反復(fù)重啟控制單元。

圖9 聯(lián)合測(cè)試平臺(tái)

通過(guò)關(guān)斷和重啟控制單元測(cè)試50次左右時(shí)，故障復(fù)現(xiàn)，測(cè)量VT1二極管的IGBT被擊穿，重點(diǎn)在于示波器捕捉到輔助控制單元發(fā)給充電機(jī)模塊的100 μs異常脈沖波形(見(jiàn)圖10)。剛上電發(fā)脈沖時(shí)，出現(xiàn)一個(gè)100 μs的異常脈沖(正常脈沖為3 μs脈寬)，開(kāi)關(guān)管開(kāi)通周期完整，100 μus脈沖相對(duì)于3 μs是一個(gè)長(zhǎng)脈沖，長(zhǎng)脈沖會(huì)引起大電流，大電流流過(guò)IGBT導(dǎo)致發(fā)熱損壞。

圖10 異常脈沖波形

2.8 異常脈沖分析

第一階段為系統(tǒng)待機(jī)狀態(tài)，脈沖控制單元發(fā)送特定數(shù)據(jù)隊(duì)列(包含3個(gè)數(shù)據(jù)，第一個(gè)為數(shù)據(jù)裝載周期，第二、第三個(gè)為脈沖更新數(shù)據(jù)，特定序列為4、0、0)給脈沖恢復(fù)單元，此時(shí)脈沖輸出處于關(guān)閉狀態(tài)。脈沖恢復(fù)單元根據(jù)收到的數(shù)據(jù)周期生成數(shù)據(jù)裝載標(biāo)志。脈沖控制單元周期性發(fā)送數(shù)據(jù)到脈沖恢復(fù)單元，脈沖恢復(fù)單元會(huì)周期性地生成數(shù)據(jù)更新標(biāo)志。脈沖恢復(fù)單元的最小計(jì)時(shí)周期為20 ns，根據(jù)數(shù)據(jù)裝載周期生成的數(shù)據(jù)裝載標(biāo)志間隔為80 ns，數(shù)據(jù)更新標(biāo)志周期為20 μs，理想情況見(jiàn)圖11，裝載標(biāo)志經(jīng)過(guò)20 000 ns÷80 ns=250個(gè)周期后與數(shù)據(jù)更新標(biāo)志重合。

圖11 理想情況下數(shù)據(jù)裝載標(biāo)志和數(shù)據(jù)更新標(biāo)志之間的位置關(guān)系

當(dāng)脈沖控制單元發(fā)送數(shù)據(jù)的周期存在偏差時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸鏈路也會(huì)造成傳輸延時(shí)，脈沖恢復(fù)單元恢復(fù)數(shù)據(jù)同樣存在采樣偏差，這些偏差和延時(shí)是避免不了的特性。因此數(shù)據(jù)裝載標(biāo)志和數(shù)據(jù)更新標(biāo)志之間的相對(duì)關(guān)系將存在以下4種可能，如圖12所示。

圖12 非理想狀態(tài)下數(shù)據(jù)裝載標(biāo)志和數(shù)據(jù)更新標(biāo)志之間的位置關(guān)系

第二階段為脈沖控制狀態(tài)，在脈沖控制狀態(tài)的數(shù)據(jù)隊(duì)列中，數(shù)據(jù)裝載周期不再為4且大于4，脈沖更新數(shù)據(jù)也不再為0。當(dāng)數(shù)據(jù)更新標(biāo)志有效的時(shí)候，脈沖恢復(fù)單元根據(jù)更新標(biāo)志相對(duì)于裝載標(biāo)志所處的位置執(zhí)行數(shù)據(jù)更新操作。當(dāng)條件滿足則更新數(shù)據(jù)，不滿足則不更新數(shù)據(jù)。最終脈沖執(zhí)行單元會(huì)根據(jù)更新后的數(shù)據(jù)執(zhí)行脈沖輸出。在數(shù)據(jù)隊(duì)列中，如果出現(xiàn)A、B、0這樣的隊(duì)列會(huì)導(dǎo)致脈沖異常，而A、B、C和A、0、C以及A、0、0這樣的隊(duì)列則不會(huì)有問(wèn)題。

3 解決方案

3.1 控制邏輯優(yōu)化

優(yōu)化數(shù)據(jù)更新條件：當(dāng)數(shù)據(jù)裝載標(biāo)志有效時(shí)，立刻更新數(shù)據(jù)；當(dāng)數(shù)據(jù)更新標(biāo)志有效時(shí)，新數(shù)據(jù)裝載周期大于數(shù)據(jù)裝載周期計(jì)數(shù)器的值，則立刻更新數(shù)據(jù)裝載周期，否則不更新；當(dāng)數(shù)據(jù)更新標(biāo)志有效時(shí)，新脈沖更新數(shù)據(jù)大于當(dāng)前正在執(zhí)行的數(shù)據(jù)，且正在執(zhí)行的脈沖更新數(shù)據(jù)大于數(shù)據(jù)裝載周期計(jì)數(shù)器的值，則更新數(shù)據(jù)，否則不更新。第一個(gè)脈沖更新數(shù)據(jù)對(duì)當(dāng)前正在執(zhí)行的數(shù)據(jù)進(jìn)行了為0判斷，而第二個(gè)脈沖更新數(shù)據(jù)沒(méi)有對(duì)0判斷。脈沖控制狀態(tài)的數(shù)據(jù)隊(duì)列為A、1、C，且C大于4，分析上述4種可能情況，情況1：數(shù)據(jù)會(huì)立刻更新為A、1、C。情況2：數(shù)據(jù)會(huì)更新為A、0、C，且在下一時(shí)刻立刻更新為A、1、C。情況3：數(shù)據(jù)會(huì)更新為:A、0、C。情況4：數(shù)據(jù)會(huì)更新為A、1、0。根據(jù)前面分析脈沖異常序列，只有序列為A、1、0時(shí)導(dǎo)致脈沖異常。對(duì)第二個(gè)脈沖更新時(shí)間加入為0條件判斷，優(yōu)化后的脈沖控制序列不會(huì)再出現(xiàn)A、1、0這樣的異常序列，脈沖發(fā)送正常。

3.2 優(yōu)化后驗(yàn)證

更新輔助控制單元FPGA軟件后，利用返修模塊和控制單元反復(fù)測(cè)試，試驗(yàn)48 h以上無(wú)故障發(fā)生；將輔助控制單元還原為上一版FPGA軟件，利用返修模塊和控制單元反復(fù)測(cè)試，試驗(yàn)接近1 h故障復(fù)現(xiàn)。

3.3 結(jié)論

根據(jù)復(fù)現(xiàn)的故障現(xiàn)象排查控制軟件，該異常脈沖出現(xiàn)原因?yàn)榭刂茊卧獌?nèi)部的控制芯片與數(shù)據(jù)管理(脈沖恢復(fù))芯片交互數(shù)據(jù)時(shí)，在FPGA軟件定時(shí)80 ns周期性交互時(shí)間上存在抖動(dòng)偏差，概率性地導(dǎo)致第一次有效控制脈沖的恢復(fù)異常，出現(xiàn)一路高電平全開(kāi)關(guān)周期的異常脈沖。優(yōu)化FPGA軟件后可對(duì)第一次有效控制脈沖進(jìn)行判斷，有效控制了PWM脈沖，避免了充電機(jī)模塊IGBT擊穿故障的發(fā)生。

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合實(shí)際典型故障案例，對(duì)充電機(jī)模塊硬件及邏輯控制軟件進(jìn)行深入的分析研究，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)及模擬實(shí)驗(yàn)追蹤，最終找出故障根本原因?yàn)檫壿嬁刂栖浖嬖谌毕荩詈笸ㄟ^(guò)對(duì)控制軟件進(jìn)行分析優(yōu)化后并進(jìn)行多次驗(yàn)證，脈沖發(fā)送功能正常，列車(chē)功能恢復(fù)了正常，有效避免了充電機(jī)模塊IGBT擊穿故障頻繁發(fā)生，可為軌道交通行業(yè)充電機(jī)模塊IGBT的應(yīng)用提供一定的借鑒。