地鐵列車輔助逆變器IGBT失效原因分析及應(yīng)對(duì)

引言

東莞市軌道交通2號(hào)線采用120km/h速度等級(jí)6節(jié)編組B型車,全車設(shè)置4臺(tái)輔助逆變器,實(shí)行中壓并網(wǎng)供電。輔助逆變器通過受流裝置獲取DC1500V高壓后轉(zhuǎn)換成AC380V交流電輸出,供車輛三相負(fù)載使用。同時(shí),蓄電池充電機(jī)將輔助逆變器輸出的AC380V轉(zhuǎn)換成DC110V,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(yùn)轉(zhuǎn),列車只能清客下線,嚴(yán)重時(shí)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(yùn)行工況復(fù)雜的大功率電能變換裝置,經(jīng)常工作在高壓、大電流條件下,如果不能及時(shí)檢測(cè)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(hào)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(yùn)營服務(wù)質(zhì)量,因此必須對(duì)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(hào)線列車輔助逆變器采用模塊化設(shè)計(jì),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(dòng)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(duì)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(dòng)單元GDU控制逆變單元中的IGBT器件開通和關(guān)斷,將DC1500V直流電轉(zhuǎn)化為三相交流電輸出,供給負(fù)載。

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(gè)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。

2lGBT器件失效分析

2.1lGBT失效數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

東莞軌道交通2號(hào)線2016年開通運(yùn)營,前期輔助逆變器運(yùn)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(jì),發(fā)生輔助逆變器IGBT失效的列車號(hào)分布較為分散,且在不同車輛上均有發(fā)生:按月統(tǒng)計(jì),IGBT器件失效各月均有分布,7月一9月相對(duì)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(jì)數(shù)據(jù),7月一9月是東莞地區(qū)氣候溫度最為炎熱的時(shí)候,也是空調(diào)工作載荷最高時(shí)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。

2.2lGBT失效原因排查

IGBT失效機(jī)理較為復(fù)雜,在實(shí)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(hào)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(xiàng)目應(yīng)用未反饋故障率高。結(jié)合IGBT故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及失效情況,確定了4個(gè)排查方向。

2.2.1IGBT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(shí)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。2.2.2IGBT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。

對(duì)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(huì)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。空腔中填充的是空氣,而空氣的熱導(dǎo)率僅為0.025W/(w·m),要比硅脂熱導(dǎo)率3.3W/(w·m)差很多,因此整個(gè)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。

2.2.3IGBT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/T29332一2012)中IGBT檢測(cè)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(cè)試參數(shù)標(biāo)準(zhǔn),如表2所示。

按表2制定的測(cè)試項(xiàng)目及標(biāo)準(zhǔn),使用專業(yè)儀器隨機(jī)抽取3個(gè)輔助逆變器共18個(gè)IGBT器件進(jìn)行測(cè)試。測(cè)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(cè)試情況如圖4、圖5及表3所示,這也是導(dǎo)致2號(hào)線列車輔助逆變器IGBT失效率偏高的重要原因。

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(duì)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(cè)量,確認(rèn)AC380V、DC110V負(fù)載啟停過程對(duì)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。

3應(yīng)對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(yàn),效果良好。

(3)使用專業(yè)的測(cè)試儀器對(duì)20列車輔助逆變器IGBT器件進(jìn)行性能測(cè)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(hào)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(shì)得到了有效控制,有力保障了運(yùn)營的安全。