地铁车辆牵引逆变器IGBT模块损坏原因分析及处置优化

王付超

摘要：随着城市的发展，人们出行需求与交通拥堵之间的矛盾日益突出，城市轨道交通的快速发展解决这一矛盾的主要手段。昆明地铁顺应时代历史发展潮流，走进了市民的日常生活之中。然而，地铁车辆的状态良好与否直接关系乘客的出行安全。本文以发生在昆明地铁车辆牵引逆变器IGBT模块炸裂的事件，进行故障的分析及处置，提出改进措施，确保列车状态良好。

关键词：地铁车辆；VVVF逆变器；IGBT模块

0 引言：地铁车辆能够安全平稳的运行，牵引逆变器是关键核心部件，是列车动力输出部件牵引电机唯一的供电来源，同时也是列车在下坡或制动过程中再生制动的核心部件，因此牵引逆变器的稳定可靠，对于地铁来说至关重要。每辆动车配置一台牵引逆变器，每台逆变器有两个逆变模块单元组成，每个逆变模块单元驱动两台牵引电机，实现列车运行。

1问题与分析

1.1故障现象

2021年12月31 日，配属昆明地铁首期0140列，正线运营时HMI屏报M2-1车VVVF模块1逆变过流，VVVF模块2逆变过流， VVVF主电路直流过流，VVVF模块2C-、2C+管故障,VVVF模块2  逆变保护，VVVF差分电流大于1.5A，司机复位无效。

1.2故障分析

1.2.1 IGBT工作原理：

昆明地铁首期工程电客列车牵引系统主电路采用两电平电压型直—交逆变电路。经第三轨向受电靴受流输入DC750V直流电,经高压箱、线路电抗器、由VVVF逆变器逆变成频率、电压均可调的三相交流电供给牵引电机。每一辆动车配置一台VVVF牵引逆变器,每台VVVF逆变器由两个逆变模块单元组成，采用2个逆变器模块驱动4台牵引电动机的工作方式，电阻制动斩波单元与逆变模块单元集成在一起。当电网电压在DC500V～1000V之间变化时，主电路能正常工作，并能实现牵引--制动的无接点转换。逆变模块采用通用的IBCM60G型IGBT变流器模块，单个模块的输出容量可达600kVA，IBCM60G模块集成了8个1700V/1600A的 IGBT 元件，作为三相逆变器的三相桥臂及制动桥臂。逆变模块采用了无氟热管散热技术，靠走行风自然冷却。

1.2.2故障数据分析

下载故障列车DCU数据分析，故障发生前列车运行良好，逆变电流输出正常，故障时刻逆变电流和中间直流电流出现异常波动，逆变电流呈桥臂直通故障波形。驱动板检测到电流异常，上报VVVF 模块 2C-、2C+管故障，故障波形如图1所示。

图1 故障时刻 DCU 波形

1.2.3故障查找情况

列车回库后收车断高压后，打开 M2-1 车 VVVF牵引逆变器箱检查，发现柜内底部有碎片，拆下IGBT器件层发现变流器模块 2 的 V5、V6 位置号 IGBT 器件炸损。对变流器IGBT器件层进行拆解测试，V5 器件炸损，极间电阻测量异常、栅极炸损；V6 器件极间击穿短路，其余器件测量正常，IGBT器件层测量如图2所示。

图2  IGBT器件层

1.2.4损坏IGBT元件分析

利用超声扫描分析IGBT器件层V5、V6 位置的失效 IGBT 器件焊层状态良好，未发现明显空洞存在。对器件进行解剖分析，观察V5、V6 位置IGBT 所有芯片均失效，大部分二极管芯片失效。根据芯片失效形貌，IGBT 芯片全部烧损、芯片表面键合线大部分烧融。结合芯片烧损严重程度，推断图 3 中红圈部分芯片最先失效，形成器件过流失效。

图3  IGBT器件层V5、V6位置解刨图

1.2.5  工况分析

逆变器控制装置即传动控制单元（DCU），采用 “异步电动机直接转矩控制”、“粘着利用控制” 软件和“交流传动模块化设计”硬件，主要完成对逆变器暨交流牵引电机的实时控制、粘着利用控制、制动斩波控制。再生制动时，若电容两端电压上升至一定值时，触发电阻制动斩波模块，调节斩波模块开关元件导通角，将电容两端电压稳定在一定的电压值，此时为再生和电阻混合制动。若电容两端电压或电网电压回落，则由电阻制动转换为再生制动。牵引或制动工况时，通过触发导通斩波模块，能抑制因空转等原因引起的瞬时过电压。

2原因分析

实际上, 造成IGBT模块损坏的原因很多, 其主要原因比如过载造成IGBT模块损坏、VVVF逆变器箱内的积尘导致的散热不良、本身工作的环境温度高等。终其原因无不是IGBT模块的温度升高后, 不能够有效快速地降下温度来。

2.1 过载造成IGBT模块损坏

在雨雪天气,钢轨与轮对之间黏着系数下降，列车在牵引或制动过程中,出现轮对空转或滑行等瞬态过程，斩波电路故障或未及时开启导致过载, 如果过载次数较多, 造成IGBT模块在超出其设计的工作范围之外进行工作, 温度升高次数连续后散热不及时,  从而造成IGBT模块损坏。

2.2工作环境温度过高造成IGBT模块损坏

设计中VVVF逆变器箱的冷却方式采用非氟热管散热器走形风冷却的方式，而IGBT器件层所处位置在变频控制柜的最里层, 平时检查维护时对其清理不方便, 造成箱体里面积尘清洁不到位。另外首期线路较多设计为地下站，灰尘较重，列车常年在隧道运行，散热管及散热片上会沉积灰尘，导致散热效率下降，也是造成IGBT模块损坏的一个客观原因。

3 处置及预防措施

对0140车损坏的变流器模块 2进行更换，高压测试无异常，试车线动态调试未报故障，车辆状态正常，故障消除。已经出现的牵引逆变器故障，应及时的进行检查维修，避免因小故障发展成大问题，影响列车行车安全。除此之外，在均衡修检修过程中加强对牵引逆变器箱内的元器件进行检查与清洁，保证元器件工作环境良好。同时需检查箱体外部热管散热器的表面是否有积灰和异物遮挡，若有及时对其进行清理，保证散热器的散热效率，为模块工作提供一个良好的工作环境，使元器件能够安全平稳的工作运行。

3.1 改善降温方法

改换VVVF逆变器箱的降温方式, 这样可以保证其降温效果, 还能防止其出现积尘现象, 比如IGBT逆变模块采用非氟热管散热器，再用冷却风扇对热管散热器进行强迫风冷，给变频器和IGBT模块等创设一个良好的运行环境。这样对于温度的过度升高导致的缺陷一种弥补与缓解, 对其也是一种较好的防范措施。

参考文献

[1] 昆明地铁运营有限公司.电客列车检修.西南交通大学出版社，2015

[2] 南车株洲电力机车有限公司.维修手册.株洲：南车株洲电力机车有限公司，2011

[3] 株洲中车时代电气股份有限公司.测试报告.CRRC-CG-2022-0008