地铁列车牵引逆变器中IGBT动态不均衡故障分析

吴 浩

（上海轨道交通维护保障中心 车辆公司，上海200233）

目前国内地铁列车牵引逆变器主要采用IGBT构成的VVVF逆变器。在日常运营维护中，IGBT损坏是逆变器故障的主要原因。常规的检测一般包括各极间的阻抗值测量、绝缘耐压试验等。然而以上这些常规方法，对于一部分低压特性良好，而内部有功能损坏的IGBT却无能为力，即使采用一般的通电检测也收效甚微，导致逆变器维修质量不稳定，返修率上升，不仅增加了维护工作量，而且还导致不必要的成本浪费，本文正是针对这一难以判断的故障，设计、试验解决这一问题。

1 IGBT在地铁牵引逆变器的应用现状

目前地铁列车的接触网制式有1 500 V和750 V两种，以上海地铁的1 500 V接触网制式为例，列车VVVF牵引逆变器所使用的IGBT的技术参数均为3 300 V／1 200 A，生产商有三菱、日立、ABB、英飞凌等。

当今高功率IGBT模块中的IGBT元胞通常多采用沟槽栅结构，消除了平面栅结构器件中存在的相邻元胞之间形成的结型场效应晶体管效应，同时引入了一定的电子注入效应，使得导通电阻下降，为增加长基区厚度、提高器件耐压创造了条件。图1所示为用于上海地铁3号线列车牵引逆变器的IGBT。

图1 IGBT内部结构原理

2 支路动态电流平衡试验原理

从原理上，IGBT可以认为由3个内结构完全相同的单元构成（见图1）。正常情况下，IGBT的工作电流由这3个单元电流组成，本文称之为支路电流。理论上，当列车牵引逆变器正常运行时，每个IGBT内部支路的稳态电流在数值上相等；而暂态情况下，尽管受到线路中杂散电感或结电容的影响，但动态电流的差别也应不大。根据这一推测，这里设计如下动态电流试验。

为了尽可能地减弱IGBT个体差异给试验结果带来的影响，被测试的IGBT应同品牌、同型号且尽量同批次。试验电路按照如图2所示的半桥逆变电路连接，其中IGBT－2为被测功率管，IGBT－1为辅助功率管，起续流作用。主电路以一定标准值的电感作为负载，以便观察波形。

图2 支路动态平衡试验原理和试验

3 实例及分析

本次试验以Eupec（Infineon）生产的3 300 V／1 200 A的IGBT作为试验对象。试验共用3只同一批次的功率管，其中2只为已用件，作为被测对象；另1只为新件，作为续流使用。试验采用双脉冲法，续流管保持不变，被测管轮换。

单次试验步骤如下：①初始过程：选取适当的负载电感，闭合开关S1，电容器充电，充电结束后S1断开；②第1次脉冲（建立iL）：施加正向脉冲使IGBT－2导通，电容向负载电感放电，iL建立，施加反向脉冲使IGBT－2关断；③第2次脉冲：再次施加正向脉冲使IGBT－2导通，由于时间极短，这时可认为iL不变，IGBT－2与电感构成回路，用环形电流表与可存储式示波器记录此时的开通过程，关断IGBT－2，电感负载通过二极管续流至零，单次试验结束；④调换被测功率管，重复试验。双脉冲试验的持续时间约200μs。图3为被测2只IGBT在双脉冲试验中，第2次脉冲开通过程的参数波形，记录长度为5μs。

图3 支路动态试验中被测IGBT开通特性

从两个器件的试验结果中各抽取两条支路的电流，分别从稳态和峰值两个方面来对比（见表1），可知：①从峰值来看，疑似损坏件的支路电流峰值偏离高达15%左右，而全新器件只有不到7%；②从稳态值来看，疑似损坏件的支路电流峰值偏离超过6%，全新器件则基本无偏离。经多次重复试验发现，该结果数值具有一致性，由此可断定疑似损坏件为功能受损件，临修时应予以更换。

经比对维修记录，该受损IGBT所在的逆变模块，临修多次均未查出故障，但装车试验无法通过，返修多次。

表1 支路电流动态试验结果对比分析（IGBT开通） A

表中：

Δp＝｜I1p－I2p｜，表示支路电流峰值偏离；

Δs＝｜I1s－I2s｜，表示支路电流稳态值偏离；

δp＝ （IΔp／Inorm）100%，表示支路电流峰值偏离指数；

δs＝ （IΔs／Inorm）100%，表示电流稳态值偏离指数；

Inorm为该型号IGBT的额定值，这里取Inorm＝400 A。

4 结束语

支路单元损坏是导致IGBT最终损坏的一个主要原因，现场临修时不易检测。文中给出的IGBT支路单元动态试验方法，提出了判断这一故障的方法。具体操作方法和判断依据，可通过部件临修时，更换下的IGBT进行试验和数据积累，还可结合实际列车故障情况，进一步探索功率器件损坏规律。该方法简单实用，不仅可用于列车大功率逆变器日常检修，对该部件的大修也有重要的参考价值。

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