唐 輝，王為介，柴育恒，徐小明，葛興來(lái)

（1中國(guó)鐵路廣州局集團(tuán)有限公司 廣州動(dòng)車段，廣州 511483；2北京縱橫機(jī)電科技有限公司，北京 100094；3西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，成都 610031）

牽引變流器作為高速列車的核心單元，是列車運(yùn)行的動(dòng)力來(lái)源，其工作狀態(tài)關(guān)乎列車能否安全運(yùn)行［1］。但牽引變流器裝設(shè)于列車底部，由于惡劣的運(yùn)行環(huán)境和頻繁的工況變化，其關(guān)鍵組成部件IGBT模塊的性能（Insulated Gate Bipolar Transistor Module）會(huì)隨著時(shí)間的推移逐漸劣化，危及列車的安全運(yùn)行。同時(shí)相關(guān)的工業(yè)調(diào)查表明，IGBT模塊是變流器中故障率最高的器件之一［2］。因此，對(duì)牽引變流器中的IGBT功率模塊進(jìn)行壽命預(yù)評(píng)估具有重要的研究意義，不僅可以有效保證列車的安全運(yùn)營(yíng)，還可以為列車的維修提供參考。

針對(duì)IGBT壽命的評(píng)估，目前的研究主要是基于可靠性分析手冊(cè)MILHDBK-217，即利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)進(jìn)行壽命分析［3-4］，文獻(xiàn)［3］將故障率視為恒定值，利用指數(shù)分布進(jìn)行壽命評(píng)估；而文獻(xiàn)［4］則通過(guò)其他分布函數(shù)，例如三參數(shù)威布爾分布、正態(tài)分布等進(jìn)行壽命分析。上述方法雖然易于實(shí)現(xiàn)，但未對(duì)故障機(jī)制進(jìn)行準(zhǔn)確建模，也未考慮故障物理現(xiàn)象，單純的數(shù)據(jù)分析得到結(jié)論置信度較低。同時(shí)功率器件在實(shí)際運(yùn)行中會(huì)發(fā)生不同程度的磨損（老化），且磨損程度與運(yùn)行工況密切相關(guān)，因此基于任務(wù)剖面的壽命評(píng)估置信度較高，并且已成為可靠性分析的主流［5-6］。

文中通過(guò)對(duì)廣州南—長(zhǎng)沙南線路的某車型動(dòng)車組加裝傳感器，記錄列車運(yùn)行數(shù)據(jù)，利用變流器數(shù)學(xué)模型與電熱聯(lián)合仿真計(jì)算出IGBT的結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)，接著采用雨流計(jì)數(shù)法進(jìn)行熱載荷分析，最后結(jié)合壽命評(píng)估模型對(duì)牽引變流器的IGBT模塊進(jìn)行壽命評(píng)估。

1 牽引變流器結(jié)構(gòu)

動(dòng)車組牽引變流器主要由3部分組成［1］，如圖1所示，分別為四象限整流器（4QC）、中間直流環(huán)節(jié)和牽引逆變器。其中牽引逆變器的輸出端連接到4個(gè)牽引電機(jī)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能為列車提供運(yùn)行動(dòng)力。

圖1 牽引變流器拓?fù)涫疽鈭D

當(dāng)列車處于牽引工況時(shí)，能量從網(wǎng)側(cè)整流器流向牽引逆變器，當(dāng)列車處于制動(dòng)工況時(shí)，能量則從電機(jī)回饋到牽引網(wǎng)。

2 基于任務(wù)剖面壽命評(píng)估

基于任務(wù)剖面的壽命評(píng)估流程如圖2所示，其主要分為數(shù)據(jù)處理、結(jié)溫計(jì)算和壽命評(píng)估3個(gè)部分，其中損耗計(jì)算和熱網(wǎng)絡(luò)模型是進(jìn)行結(jié)溫計(jì)算的關(guān)鍵步驟，下面將進(jìn)行詳細(xì)分析。計(jì)算出結(jié)溫信息后，利用雨流計(jì)數(shù)法對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，獲取結(jié)溫波動(dòng)和平均結(jié)溫循環(huán)次數(shù)，同時(shí)代入到壽命評(píng)估模型中，結(jié)合Miner線性損傷定理，給出牽引變流器中IGBT模塊的壽命估計(jì)結(jié)果。

圖2 IGBT壽命評(píng)估流程

2.1 IGBT損耗計(jì)算

IGBT模塊的功率損耗是主要包括通態(tài)損耗和開(kāi)關(guān)損耗。對(duì)于IGBT，開(kāi)關(guān)損耗包括開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗，二極管的開(kāi)關(guān)損耗主要為反向恢復(fù)損耗。IGBT和二極管的通態(tài)損耗主要受導(dǎo)通電流和溫度影響，通常表示為［7］式（1）、式（2）：

式中：PconT和PconD分別表示IGBT和二極管的通態(tài)損耗；vce表示IGBT集電極和發(fā)射極間的電壓；ic指流過(guò)兩端的電流；vF和iF則分別表示二極管兩端的電壓和電流；vce0和vF0分別表示IGBT和二極管靜態(tài)特性曲線線性擬合之后和橫軸的交點(diǎn)；rce和rF則表示兩者擬合曲線的斜率，以上擬合值的大小與溫度相關(guān)；δ表示當(dāng)前開(kāi)關(guān)周期內(nèi)IGBT導(dǎo)通的占空比；Ts是器件的開(kāi)關(guān)周期。

IGBT和二極管的開(kāi)關(guān)損耗則受導(dǎo)通電流、阻斷電壓、驅(qū)動(dòng)電阻等影響，根據(jù)器件生產(chǎn)廠家的損耗計(jì)算經(jīng)驗(yàn)［7］，兩者的開(kāi)關(guān)損耗通常表示為式（3）、式（4）：

式中：Eon和Eoff表示IGBT在額定條件下的開(kāi)通和關(guān)斷能耗；Err是二極管在額定條件下的關(guān)斷損耗；Tj表示IGBT或二極管的結(jié)溫；VDC表示實(shí)際中的直流側(cè)電壓值；Ic、IF表示實(shí)際流經(jīng)IGBT、二極管的電流值；KV為開(kāi)關(guān)損耗的電壓依賴性指數(shù)；CT為開(kāi)關(guān)損耗的溫度系數(shù)，二者均可通過(guò)試驗(yàn)或數(shù)據(jù)手冊(cè)來(lái)計(jì)算；Iref、Vref和Tref分別代表參考電流，參考阻斷電壓和參考溫度；fsw代表開(kāi)關(guān)頻率。

2.2 IGBT熱網(wǎng)絡(luò)模型

文中分析列車的牽引變流器中采用的IGBT模塊為FZ750R65KE3型，該模塊為焊封式，模型散熱為單面散熱，IGBT可看做是一個(gè)垂直導(dǎo)熱的模型，考慮模塊封裝的7層的IGBT垂直導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)如圖3所示，IGBT或二極管芯片產(chǎn)生的熱量向下傳遞，最終通過(guò)散熱器將熱量帶走。

圖3 IGBT垂直導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)

目前對(duì)于IGBT模塊的熱網(wǎng)絡(luò)描述主要采用集總參數(shù)模型，分別為Foster模型和Cauer模型2類，Cauer模型與實(shí)際模塊的分層結(jié)果相對(duì)應(yīng)，但是模型參數(shù)計(jì)算需要IGBT模塊內(nèi)部每層結(jié)構(gòu)詳細(xì)的尺寸參數(shù)和材料特性，而這些信息在實(shí)際工程應(yīng)用中通常難以獲?。籉oster模型是對(duì)瞬態(tài)熱阻抗曲線的數(shù)據(jù)擬合，雖然不具有實(shí)際物理意義，但易于獲取且數(shù)據(jù)手冊(cè)提供了較為精確的四階熱網(wǎng)絡(luò)模型的參數(shù)，因此文中采用Foster模型進(jìn)行結(jié)溫計(jì)算?？紤]實(shí)際系統(tǒng)中導(dǎo)熱硅脂和散熱系統(tǒng)，牽引變流器的熱網(wǎng)絡(luò)可以等效為圖4所示，同時(shí)給出了IGBT熱網(wǎng)絡(luò)模型中具體參數(shù)值，見(jiàn)表1。

圖4 IGBT熱網(wǎng)絡(luò)模型

表1 IGBT熱網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)

圖4中PlossT和PlossD分別代表IGBT和反并聯(lián)二極管的功率損耗，R和C分別表示熱阻和熱容，Tc表示IGBT模塊的殼溫，牽引變流器采用水冷方式散熱，Ta表示水冷基板的冷卻液溫度。利用上一小節(jié)計(jì)算出的損耗結(jié)果，代入所建立的熱網(wǎng)絡(luò)仿真模型中，即可獲得IGBT的結(jié)溫曲線。

2.3 雨流計(jì)數(shù)及壽命評(píng)估

IGBT的結(jié)溫曲線可以看做是時(shí)間軸上不同幅值和均值的溫度曲線的疊加。根據(jù)Miner線性疲勞損傷理論，如果忽略不同應(yīng)力對(duì)器件損傷的耦合作用，則IGBT的壽命可以看作是不同類型溫度循環(huán)下器件損傷度相加的倒數(shù)，為式（5）：

式中：D為一次工況下器件的總損傷度，它等于不同類型溫度循環(huán)下的損傷度之和；ni為當(dāng)前溫度循環(huán)類型下的循環(huán)次數(shù)；Ni為當(dāng)前溫度循環(huán)類型下可承受的失效次數(shù)。因此，為評(píng)估IGBT壽命，必須對(duì)IGBT的結(jié)溫曲線所包含的不同溫度循環(huán)載荷進(jìn)行分類和計(jì)數(shù)。文中采用雨流計(jì)數(shù)法完成該部分工作［5］。

IGBT的壽命評(píng)估一般基于特定的壽命模型，物理模型和解析模型是目前最常見(jiàn)的壽命模型。其中物理模型是基于材料的物理失效機(jī)理所推導(dǎo)出的壽命模型，物理意義明顯但是模型的參數(shù)難以獲取。解析模型通常將器件的壽命考慮為受某些劣化因子的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式，其參數(shù)提取相對(duì)簡(jiǎn)單，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行擬合即可獲得。

文中利用Norris-Landberg解析壽命模型對(duì)IGBT進(jìn)行壽命評(píng)估，其模型的表達(dá)式為式（6）：

式中：Nf為循環(huán)次數(shù)壽命；f為循環(huán)的頻率；ΔTj為溫度波動(dòng)的幅值；Tm為平均結(jié)溫；k為玻爾茲曼常數(shù)，值為1.38×10-23J/K；Ea為激活能（約9.89×10-20J）；A、a1、a2均為用試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的常數(shù)。

將雨流計(jì)數(shù)獲得的計(jì)數(shù)結(jié)果代入到壽命解析模型，根據(jù)Miner線性疲勞損傷理論，最終即可獲得IGBT壽命評(píng)估結(jié)果。

3 案例分析

文中選取廣州南動(dòng)車段的某車型動(dòng)車組為試驗(yàn)車，通過(guò)在車載變流器中加裝電壓電流傳感器，獲取結(jié)溫計(jì)算所必須的牽引變流器變量，根據(jù)試驗(yàn)列車的變流器拓?fù)?、控制策略以及損耗計(jì)算公式，分別計(jì)算整流器和逆變器中IGBT損耗變量，然后代入如圖4所示的熱網(wǎng)絡(luò)模型中，即可獲取列車運(yùn)行過(guò)程中的結(jié)溫，此次試驗(yàn)列車的結(jié)溫剖面如圖5所示。

圖5 牽引變流器功率模塊的結(jié)溫剖面

利用雨流計(jì)數(shù)法對(duì)整流器和逆變器所獲取的結(jié)溫進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可分別獲得運(yùn)行過(guò)程中IGBT所承受的熱載荷分布如圖6所示?？梢钥闯稣髌髦械腎GBT結(jié)溫波動(dòng)大多數(shù)波動(dòng)范圍在5℃以內(nèi)，且對(duì)于平均結(jié)溫，整流器多分布在55～75℃之間，逆變器多分布在60～80℃。

圖6 牽引變流器雨流計(jì)數(shù)結(jié)果

將獲取的雨流計(jì)算結(jié)果代入壽命模型中，可以得到本文所測(cè)試的線路列車牽引變流器的壽命評(píng)估結(jié)果，見(jiàn)表2。

表2 牽引變流器壽命評(píng)估結(jié)果

從壽命評(píng)估結(jié)果可以看出，整流器側(cè)IGBT模塊損傷度高于逆變器側(cè)，即整流器IGBT模塊的壽命要低于逆變器中的IGBT模塊。這是由于整流器側(cè)IGBT的應(yīng)力比逆變器側(cè)IGBT更高。另外，需要說(shuō)明的是，此處整流器側(cè)IGBT的壽命結(jié)果并非單指IGBT芯片的壽命。由于在整個(gè)運(yùn)行線路中，列車多處于牽引工況（加速啟動(dòng)和恒速運(yùn)行），而該工況下單個(gè)基波周期內(nèi)的IGBT模塊的電流波形如圖7所示。

圖7 牽引工況整流器功率模塊電流波形

從上圖可看出，雖然IGBT芯片和二極管的導(dǎo)通次數(shù)在一個(gè)基波周期內(nèi)相當(dāng)，但由于調(diào)制的原因，二極管在單個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間更長(zhǎng)，導(dǎo)致二極管所承受的電熱應(yīng)力更大，因此壽命更低。考慮到模塊的短板效應(yīng)，此時(shí)整流器側(cè)IGBT模塊的壽命由二極管的壽命決定。

為驗(yàn)證以上評(píng)估結(jié)果的合理性，可利用文獻(xiàn)［3］中對(duì)武廣線CRH3型動(dòng)車3年運(yùn)行期間牽引變流器中IGBT的平均故障率及壽命進(jìn)行近似計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果為：整流器側(cè)IGBT壽命為21.6年，逆變器側(cè)IGBT壽命為41.6年，這與文中通過(guò)對(duì)列車運(yùn)行任務(wù)剖面分析所得的結(jié)果相符。

值得注意的是，文中所分析的列車為試驗(yàn)車，列車熱載荷較小，壽命評(píng)估結(jié)果會(huì)高于實(shí)際值，因此要獲取更為精確的壽命值，需要獲取列車實(shí)際運(yùn)行工況。同時(shí)可以看出，牽引變流器IGBT的結(jié)溫與運(yùn)行工況息息相關(guān)，不同的熱載荷會(huì)造成不同的老化，進(jìn)一步影響IGBT的壽命。因此，現(xiàn)有的維修策略需要進(jìn)行一定優(yōu)化，根據(jù)列車實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行維修。

4 結(jié)論

文中給出了基于列車運(yùn)行的任務(wù)剖面下?tīng)恳兞髌鞯腎GBT壽命評(píng)估的流程，同時(shí)利用實(shí)際獲取的運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)試驗(yàn)列車的IGBT進(jìn)行了壽命評(píng)估，獲取到較為合理的壽命值。除此之外，分析表明列車運(yùn)行工況通過(guò)影響變流器中IGBT的結(jié)溫，進(jìn)一步影響IGBT的壽命，而現(xiàn)有的固定維修策略可能造成過(guò)度修或者維修不足，因此需要根據(jù)列車運(yùn)行工作制定更為適宜的維修策略。