陳帝水 羅玉德

（東莞市軌道交通有限公司運營分公司，廣東 東莞 523000）

0 引言

東莞市軌道交通2號線采用120 km/h速度等級6節(jié)編組B型車，全車設(shè)置4臺輔助逆變器，實行中壓并網(wǎng)供電。輔助逆變器通過受流裝置獲取DC1 500 V高壓后轉(zhuǎn)換成AC380 V交流電輸出，供車輛三相負(fù)載使用。同時，蓄電池充電機(jī)將輔助逆變器輸出的AC380 V轉(zhuǎn)換成DC110 V，供車輛直流負(fù)載使用。一旦輔助逆變器故障停止工作，除牽引系統(tǒng)外的其他系統(tǒng)皆無法正常運轉(zhuǎn)，列車只能清客下線，嚴(yán)重時甚至?xí)l(fā)救援。

IGBT是軌道交通車輛輔助逆變器的核心器件，屬于運行工況復(fù)雜的大功率電能變換裝置[1]，經(jīng)常工作在高壓、大電流條件下[2-3]，如果不能及時檢測出故障并進(jìn)行保護(hù)，極易造成永久性損壞。

2021年以來，2號線列車正線發(fā)生多起IGBT失效導(dǎo)致輔助逆變器故障事件，嚴(yán)重影響了正線運營服務(wù)質(zhì)量，因此必須對輔助逆變器IGBT失效原因進(jìn)行調(diào)查并予以解決。

1 輔助逆變器工作原理分析

東莞軌道交通2號線列車輔助逆變器采用模塊化設(shè)計，由電流傳感器（U12和U13）、電壓傳感器（A40-U11）、直流環(huán)節(jié)電容器、放電電阻、過壓保護(hù)裝置、IGBT逆變單元構(gòu)成，電氣拓?fù)鋱D如圖1所示。輔助逆變器工作原理為列車控制系統(tǒng)發(fā)送啟動命令到輔助逆變器控制單元，控制單元通過控制分離接觸器和充電接觸器分合，對直流環(huán)節(jié)電容器進(jìn)行緩慢充電，當(dāng)直流環(huán)節(jié)電容器電壓達(dá)到規(guī)定電壓值，輔助逆變器開始工作，通過門極驅(qū)動單元GDU控制逆變單元中的IGBT器件開通和關(guān)斷，將DC1 500 V直流電轉(zhuǎn)化為三相交流電輸出，供給負(fù)載。

圖1 輔助逆變器拓?fù)鋱D

為了確保IGBT散熱效果良好，IGBT器件被安裝在金屬材質(zhì)的散熱器上。由于IGBT和散熱器這兩個剛性物體接觸面凹凸不平、存在空隙，空氣充斥其中，而空氣導(dǎo)熱性能很差，因此需在IGBT和散熱器接觸面間均勻填充一層薄薄的導(dǎo)熱硅脂，從而改善接觸面間熱流傳遞，提高散熱效率。

2 IGBT器件失效分析

2.1 IGBT失效數(shù)據(jù)統(tǒng)計

東莞軌道交通2號線2016年開通運營，前期輔助逆變器運行狀態(tài)良好，2021年開始，輔助逆變器IGBT器件失效率偏高。根據(jù)故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計，發(fā)生輔助逆變器IGBT失效的列車號分布較為分散，且在不同車輛上均有發(fā)生；按月統(tǒng)計，IGBT器件失效各月均有分布，7月—9月相對較多，輔助逆變器IGBT部分失效數(shù)據(jù)如表1所示。根據(jù)東莞氣象局統(tǒng)計數(shù)據(jù)，7月—9月是東莞地區(qū)氣候溫度最為炎熱的時候，也是空調(diào)工作載荷最高時期，初步判斷輔助逆變器IGBT失效故障與工作溫度及散熱存在一定關(guān)系。

表1 東莞地鐵2號線列車輔助逆變器IGBT失效統(tǒng)計（部分?jǐn)?shù)據(jù)）

2.2 IGBT失效原因排查

IGBT失效機(jī)理較為復(fù)雜，在實際應(yīng)用中引發(fā)IGBT失效的原因有IGBT裝配質(zhì)量差、IGBT器件散熱不良、IGBT器件老化、外部負(fù)載啟停沖擊、器件選型不當(dāng)、靜電損壞等。2號線列車輔助逆變器IGBT器件選用國際知名品牌產(chǎn)品，在軌道交通行業(yè)中應(yīng)用廣泛，其在國內(nèi)其他項目應(yīng)用未反饋故障率高。結(jié)合IGBT故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計及失效情況，確定了4個排查方向。

2.2.1 IGBT器件裝配質(zhì)量

首先排查輔助逆變器日常維護(hù)過程中IGBT裝配質(zhì)量和工藝可能造成IGBT失效的因素，包括靜電釋放、安裝力矩偏差、螺栓緊固工序、導(dǎo)熱硅脂厚度超差等。排查確認(rèn)檢修人員在維護(hù)設(shè)備時均有佩戴靜電手環(huán)，確保IGBT不受人為操作造成的靜電釋放影響；IGBT安裝工藝規(guī)范，螺栓順序正確，緊固力矩滿足工藝要求；硅脂均采用導(dǎo)熱硅脂覆涂機(jī)進(jìn)行涂刷，涂刷厚度滿足要求，以上排除了IGBT器件裝配質(zhì)量差導(dǎo)致失效的原因。

2.2.2 IGBT器件散熱不良

抽取20列車輔助逆變器拆解檢查，發(fā)現(xiàn)IGBT與散熱器之間的導(dǎo)熱硅脂存在干結(jié)、硬化現(xiàn)象，散熱器表面有硅油析出流淌痕跡，具體如圖2、圖3所示。

圖3 IGBT導(dǎo)熱硅脂硅油析出

對硅脂干結(jié)原因分析如下：當(dāng)前輔助逆變器使用的導(dǎo)熱硅脂含硅油成分，根據(jù)硅脂特性，散熱器溫度升高，導(dǎo)熱硅脂流體體積膨脹，分子間距離拉遠(yuǎn)，相互作用減弱，黏度下降，硅脂處于半液態(tài)。而輔助逆變器IGBT器件在車輛上是垂直布置，在重力作用下，硅脂會往IGBT器件朝下一側(cè)聚集，造成硅脂分布不均，IGBT器件與散熱器之間形成部分空腔?？涨恢刑畛涞氖强諝?，而空氣的熱導(dǎo)率僅為0.025W/（m·K），要比硅脂熱導(dǎo)率3.3 W/（m·K）差很多，因此整個IGBT器件散熱不均勻，部分區(qū)域溫度過高。硅脂中的硅油在高溫條件下析出流失，硅脂變干結(jié)，進(jìn)一步降低了IGBT器件散熱效率，從而加速了IGBT模塊失效。

2.2.3 IGBT器件老化

為進(jìn)一步查清IGBT器件失效原因，參照《半導(dǎo)體器件分立器件第9部分：絕緣柵雙極晶體管（IGBT）》（GB/T 29332—2012）中IGBT檢測參數(shù)種類及方法，并結(jié)合IGBT廠家提供的產(chǎn)品文件，制定了輔助逆變器IGBT器件性能測試參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如表2所示。程對輔助逆變器無嚴(yán)重沖擊，不是造成輔助逆變器IGBT失效的原因。

表2 輔助逆變器IGBT測試標(biāo)準(zhǔn)

按表2制定的測試項目及標(biāo)準(zhǔn)，使用專業(yè)儀器隨機(jī)抽取3個輔助逆變器共18個IGBT器件進(jìn)行測試。測試結(jié)果表明，部分輔助逆變器模塊的IGBT器件出現(xiàn)了不程度的老化，主要表現(xiàn)在IGBT器件耐壓值（Vces/Vrrm）、IGBT器件集電極-發(fā)射極截止電流（Ices/Ir）不達(dá)標(biāo)，具體測試情況如圖4、圖5及表3所示，這也是導(dǎo)致2號線列車輔助逆變器IGBT失效率偏高的重要原因。

表3 輔助逆變器IGBT器件耐壓值Vces測試結(jié)果（部分測試數(shù)據(jù)）

圖4 IGBT器件測試正常曲線

圖5 IGBT器件耐壓值Vces測試異常曲線

2.2.4 外部負(fù)載啟停沖擊

為排除列車負(fù)載（如空調(diào)、車門等）工作不穩(wěn)定等外部因素造成輔助逆變器IGBT失效的可能，組織第三方專業(yè)機(jī)構(gòu)對車輛輔助逆變器前、中、后端負(fù)載進(jìn)行電流/電壓參數(shù)測量，確認(rèn)AC380 V、DC110 V負(fù)載啟停過

3 應(yīng)對措施

根據(jù)以上分析，IGBT器件失效率偏高的原因是輔助逆變器硅脂干結(jié)及IGBT器件老化、性能下降，為此采取如下針對性措施進(jìn)行改善：

（1）重新涂刷20列車輔助逆變器導(dǎo)熱硅脂，改善硅脂干結(jié)帶來的IGBT器件散熱不良影響。

（2）針對目前使用的硅脂存在受熱硅油析出導(dǎo)致干結(jié)問題，重新對硅脂進(jìn)行選型，換型為不含硅油成分且熱效率性能更優(yōu)越的TC5628新型硅脂。TC5628型硅脂已于2021年6月裝車試驗，效果良好。

（3）使用專業(yè)的測試儀器對20列車輔助逆變器IGBT器件進(jìn)行性能測試，將性能不合格的IGBT篩查出來，進(jìn)行更換。

4 結(jié)語

2022年2月完成整治以來，東莞軌道交通2號線列車未再發(fā)生一起因IGBT器件失效導(dǎo)致的輔助逆變器故障，設(shè)備故障率上升的趨勢得到了有效控制，有力保障了運營的安全。