白亞林

摘要：和諧電3b型電力機(jī)車自投入使用以來曾多次發(fā)生牽引變流裝置絕緣柵雙極型晶體管模塊炸裂破損故障。因此對(duì)和諧電3b型電力機(jī)車變流器中絕緣柵雙極型晶體管模塊炸裂原因的分析及預(yù)防勢在必行。文章將以電力機(jī)車變流器中絕緣柵雙極型晶體管模塊炸裂原因及預(yù)防措施作為切入點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上予以深入的探究，相關(guān)內(nèi)容如下所述。

關(guān)鍵詞：電力機(jī)車；變流器；絕緣柵雙極型晶體管模塊；炸裂；預(yù)防

眾所周知和諧電3b型電力機(jī)車配備三個(gè)牽引變流柜，各牽引變流柜的主電路與控制電路均為單獨(dú)存在，向六臺(tái)牽引電動(dòng)設(shè)備與輔助系統(tǒng)傳輸交流變頻電。在一組變流裝置出現(xiàn)故障的狀態(tài)下，經(jīng)微機(jī)控制系統(tǒng)（VCU）把故障變流裝置予以阻斷，同時(shí)可經(jīng)微機(jī)顯示屏隔離特定的變流裝置，進(jìn)而機(jī)車可以三分之二的牽引動(dòng)力繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，而輔助系統(tǒng)經(jīng)故障切換，兩組輔助變流裝置完成對(duì)全車系統(tǒng)與控制系統(tǒng)提供電能，達(dá)到機(jī)車的冗余控制。各牽引變流柜通過兩個(gè)網(wǎng)側(cè)變流裝置、兩個(gè)電機(jī)變流裝置以及一個(gè)輔助變流裝置所構(gòu)成，這些變流裝置共用一套中間直流系統(tǒng)。兩個(gè)電機(jī)變流裝置向兩臺(tái)電機(jī)提供電能，而輔助變流裝置的電源源于牽引變流裝置的中間直流電路。

1.絕緣柵雙極型晶體管概述

絕緣柵雙極晶體管綜合了電力晶體管（Giant Transistor-GTR）和電力場效應(yīng)晶體管的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的特性，應(yīng)用領(lǐng)域很廣泛；絕緣柵雙極晶體管也是三端器件：柵極，集電極和發(fā)射極。絕緣柵雙極晶體管是MOS結(jié)構(gòu)雙極器件，屬于具有功率MOSFET的高速性能與雙極的低電阻性能的功率器件。絕緣柵雙極晶體管的應(yīng)用范圍一般都在耐壓600V以上、電流10A以上、頻率為1kHz以上的區(qū)域。多使用在工業(yè)用電機(jī)、民用小容量電機(jī)、變換器（逆變器）、照相機(jī)的頻閃觀測器、感應(yīng)加熱電飯鍋等領(lǐng)域。

絕緣柵雙極晶體管是強(qiáng)電流、高壓應(yīng)用和快速終端設(shè)備用垂直功率MOSFET的自然進(jìn)化。MOSFET由于實(shí)現(xiàn)一個(gè)較高的擊穿電壓BVDSS需要一個(gè)源漏通道，而這個(gè)通道卻具有很高的電阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS（on）數(shù)值高的特征，絕緣柵雙極晶體管消除了現(xiàn)有功率MOSFET的這些主要缺點(diǎn)。雖然最新一代功率MOSFET器件大幅度改進(jìn)了RDS（on）特性，但是在高電平時(shí)，功率導(dǎo)通損耗仍然要比絕緣柵雙極晶體管高出很多。

2.和諧電3b型電力機(jī)車變流器中絕緣柵雙極型晶體管模塊炸裂成因研究

2.1.外電路原因

絕緣柵雙極型晶體管模塊受損一般是因?yàn)檩敵龆搪芳敖拥氐纫蛩厮鶎?dǎo)致。不過從實(shí)際檢查去分析，變流裝置模塊輸出電纜與電機(jī)等外部電路不存在問題，同時(shí)故障模塊在換置新的絕緣柵雙極型晶體管模塊后，牽引變流裝置恢復(fù)工作，所以我們可排除變流裝置模塊輸出短路及接地等因素導(dǎo)致絕緣柵雙極型晶體管損壞。

2.2.自身軟件原因

和諧電3b型電力機(jī)車使用DYTP150A的門驅(qū)動(dòng)單元（GDU），因?yàn)槭茏兞餮b置特定運(yùn)行條件下出現(xiàn)的共模電流干擾造成絕緣柵雙極型晶體管模塊故障。經(jīng)對(duì)故障模塊的實(shí)檢測，高壓工業(yè)模塊（HVIM）經(jīng)原始的變流設(shè)備模塊（CM-M）電纜及門驅(qū)動(dòng)單元相連接，門驅(qū)動(dòng)單元能夠被注入至高壓工業(yè)模塊終端的電壓脈沖所影響。

2.3.網(wǎng)壓波動(dòng)導(dǎo)致絕緣柵雙極型晶體管模塊受損

通常在二十二至三十千伏網(wǎng)壓下，機(jī)車最大輸出功率為九千六百千瓦。而十九千伏的網(wǎng)壓下，機(jī)車最大輸出功率則為八千千瓦。網(wǎng)壓若不超過十七千伏的狀態(tài)下，牽引功率線性減少至零，不過輔助功率已然有效。機(jī)車功率特點(diǎn)見圖1。

在網(wǎng)壓超過三十一千伏的狀態(tài)下，牽引功率線性減少至零。經(jīng)恒功率計(jì)算，能夠算出，在網(wǎng)壓為十九千伏時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流裝置模塊A101與A102 輸入電流超過一千五百安培。所以，整流器輸入電流峰值設(shè)計(jì)值即：√2×1548×1.1=2410安培。在千分之十三坡道區(qū)域取機(jī)車滿功率的網(wǎng)壓與電流參數(shù)，通過公式算出電流參數(shù)為一千五百四十安培。整流器輸入電流峰值計(jì)算參數(shù)即：√2×1540×1.1=2400安培。

分析機(jī)車實(shí)際運(yùn)行環(huán)節(jié)的客觀因素，實(shí)際檢測參數(shù)及理論計(jì)算參數(shù)會(huì)有兩個(gè)百分點(diǎn)的誤差，因此在網(wǎng)壓減少至十九千伏的狀態(tài)下，網(wǎng)側(cè)變流裝置模塊A101及A102輸入電流會(huì)超過三千安培，絕緣柵雙極型晶體管可以承受的最大電流極值為兩千四百三十安培。若長時(shí)間波動(dòng)，那么可能會(huì)導(dǎo)致絕緣柵雙極型晶體管模塊受損。所以總結(jié)出，網(wǎng)壓波動(dòng)大是導(dǎo)致絕緣柵雙極型晶體管模塊受損的主要因素。

3.預(yù)防的有效舉措

對(duì)于門驅(qū)動(dòng)單元軟件問題予以升級(jí)。針對(duì)上述故障形式，將其局限于門驅(qū)動(dòng)單元的兩個(gè)功能范圍內(nèi)進(jìn)行。完成升級(jí)后的軟件要深化門驅(qū)動(dòng)單元的抗電磁影響能力，減少因?yàn)榻^緣柵雙極型晶體管模塊開關(guān)速度造成的電磁干擾。防止在電磁影響狀態(tài)下發(fā)生延遲開通的問題，絕緣柵雙極型晶體管的最短開通時(shí)間要在驅(qū)動(dòng)控制單元門驅(qū)動(dòng)單元上被監(jiān)測，減少電磁影響，降低絕緣柵雙極型晶體管開通與關(guān)斷的開關(guān)轉(zhuǎn)換速率。近年來，我們?cè)谝话倥_(tái)和諧電3b型電力機(jī)車中選擇三十臺(tái)的門驅(qū)動(dòng)單元予以軟件升級(jí)，在此基礎(chǔ)上予以試驗(yàn)，直至二零一二年十二月，一百臺(tái)機(jī)車故障模塊共七十二個(gè)，其中舊版本軟件模塊為五十三個(gè)，新版本軟件模塊十九個(gè)，故障率降低了三十個(gè)百分點(diǎn)。

建議深化過流保護(hù)設(shè)定值。降低網(wǎng)壓波動(dòng)所導(dǎo)致二次過電流保護(hù)，因?yàn)榻^緣柵雙極型晶體管的遮斷試驗(yàn)電流保護(hù)系數(shù)為兩千四百三十安培，因此過流保護(hù)參數(shù)可以增加至兩千六百安培。而針對(duì)網(wǎng)壓波動(dòng)問題，我們可以對(duì)接觸網(wǎng)線路予以擴(kuò)容處理。針對(duì)網(wǎng)壓波動(dòng)問題建議對(duì)接觸網(wǎng)線路進(jìn)行擴(kuò)容改造。

4.總結(jié)

綜上所述，為了有效避免絕緣柵雙極型晶體管模塊炸裂，要深化抗電磁干擾能力，絕緣柵雙極型晶體管的最短開通時(shí)間仍然在驅(qū)動(dòng)控制單元DCU上被監(jiān)測，防止在電磁影響狀態(tài)下發(fā)生延遲開通的問題。雖然目前采取了一系列的預(yù)防舉措，控制了此類故障的發(fā)生，不過絕緣柵雙極型晶體管模塊炸裂問題還未得到根本的解決，伴隨對(duì)和諧電3b型電力機(jī)車的深入了解，我們會(huì)深入的予以研究，進(jìn)而保障鐵路運(yùn)輸?shù)姆€(wěn)定性及可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1].劉賓禮，陳明，唐勇，王闊廳，絕緣柵雙極型晶體管模塊芯片測溫方法與溫度分布研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（交通科學(xué)與工程版），2013（01）：15-17

[2].陳明，胡安，唐勇，汪波，，絕緣柵雙極型晶體管脈沖工作時(shí)結(jié)溫特性及溫度分布研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2016（04）：38-41

[3].耿莉，陳治明，等.結(jié)溫在線控制系統(tǒng)的絕緣柵雙極型晶體管功率模塊熱耦合模型[J].微電子學(xué)，2017（04）：37-38.