广州地铁A2型车牵引系统IGBT换型分析

李兆新

（广州地下铁道总公司，广东广州 510310）

1 概述

广州地铁A2型车采用4动2拖六节编组的A型地铁车辆，主要应用于广州地铁一号线和八号线。随着车辆运营年限的增加以及负载的加大，近几年来在正线运行过程中IGBT常发生故障爆裂的情况，轻则使牵引系统不能正常工作，重则引起接触网跳闸，给车辆运营带来较大影响。

本文基于A2型车牵引逆变器（MCM模块）的IGBT故障分析，以及可靠性和全寿命分析，提出对现有IGBT进行换型改造。

2 IGBT故障分析

牵引逆变器（MCM模块）是列车牵引系统的核心，将1 500 V直流电逆变成频率和电压可调的三相交流电，平行供给4台交流鼠笼式异步牵引电机，实现对电机的调速，完成列车牵引功能[1]。而IGBT是MCM模块最为重要的功率元器件，随着列车使用年限的增加，IGBT故障爆裂的现象逐渐增多，现对其故障进行分析。

2.1 电流因素分析

近几年，随着列车部件老化和载客量越来越大，需要列车牵引电机输出更大的扭矩。通过公式Q=I·I·R·t可知，IGBT的发热量由它本身的内阻、通过的电流以及时间决定。电机扭矩T=i·e/w，在转速和电机的固有属性不变的情况下，扭矩越大，电流也越大，从而IGBT的发热量Q也越大，当发热量持续超过IGTB的散热能力时，势必会造成IGBT的损坏爆裂。

2.2 绝缘阻值因素分析

目前公司内并无有效检测手段，用摇表分别对新旧IGBT进行检测，检测情况如表1所示。新旧IGBT都可以正常导通和关断，但是关断时，新旧IGBT的CE极之间的电阻值不同（绝缘阻值越高，漏电流越小）。新件IGBT的绝缘阻值在2 500 MΩ以上，而旧件IGBT的绝缘阻值在1 200 MΩ以下，所以IGBT使用年限增加，其漏电流越大，意味着发热也越厉害，IGBT损耗增加。

表1 现有新旧IGBT检测

3 IGBT可靠性和全寿命分析

3.1 故障统计

选取20列一直在广州地铁八号线运行的列车，并从2005年全面投入使用，并开始统计A2型车IGBT故障，统计结果如表2所示。从表2可以看出，IGBT故障从2009年开始明显上升，往后各年份的月平均故障次数约为1次。

表2 IGBT故障次数

3.2 可靠性计算[2]

假设产品总数为N0，从时刻t0开始使用，到时刻t有N（t）个产品发生故障，余下Ns个产品未发生故障。显然，N（t）和Ns是时间的函数，记作N（t）和Ns（t）。

由可靠度定义可知

R（t）=Ns（t）/N0=[N0-N（t）]/N0

同样，经验故障分布函数为

F（t）=N（t）/N0

所以，R（t）=1-F（t）。

20列A2型车逆变相IGBT共计480个，即N0=480；再根据表2的IGBT各年份故障次数，可计算得出IGBT的可靠度，如表3所示，IGBT在使用5年之后，其可靠度开始明显下降。IGBT在使用8年之后，其可靠度已低于88%。

3.3 IGBT寿命分析

常见的部件寿命分布函数有指数分布、威布尔分布、（对数）正态分布等。确定零部件的分布类型具有重要意义，而如电容器、滚珠轴承、继电器、开关、断路器、电子管、电位计、电动机、功率器件、蓄电池、材料疲劳等符合威布尔分布函数，因此对IGBT进行寿命分析应选用威布尔分布函数，其计算公式如下。

威布尔分布函数：

可靠度函数：

平均寿命：

根据表3，可得出表4中计算结果。通过MATLAB用最小二乘法将表5中的横、纵坐标点拟合成一次线性方程，该方程为y=1.9997x-6.3574。很明显，m=1.9997，可求得η=24.0270。所以IGBT的平均寿命=21.29年，即20列八号线车的IGBT发生故障的平均时间约为21.29年。

表3 IGBT可靠度计算

表4 IGBT寿命计算

4 IGBT换型分析

随着A2型车使用年限的增加，现在使用的牵引逆变器功率元器件IGBT逐渐老化，其可靠性不断下降，故障率越来越高。

因此，对牵引逆变器的功率元器件IGBT换型迫在眉睫。

通过对换型前后的IGBT参数对比，并与国内有牵引逆变器设计经验的工程师的沟通与交流，可以将现有型号（FZ1200R33KF2C）的IGBT换型成新型号（FZ1500R33HE3）的、容量更大的同品牌IGBT[3]。其分析对比如下。

（1）IGBT导通损耗对比

现有IGBT Vcesat值为4.25 V左右，导通损耗为：

Pcond=D·Vcesat·Ic=D·4.25 V·1 200 A=5 100·D

图1 现有IGBT-Vce曲线

图2 换型后IGBT-Vce曲线

换型后的IGBT的Vcesat值为2.4 V左右，导通损耗：

图3 现有IGBT-Ic曲线

Pcond=D·Vcesat·Ic=D·2.4 V·1 200 A=2 880·D

（2）IGBT开关损耗对比

现有IGBT的Vcesat值为4.25 V左右，导通损耗：

图4 换型后IGBT-Ic曲线

图5 现有IGBT-Vf曲线

图6 换型后IGBT-Vf曲线

Pcond=D·Vcesat·Ic=D·4.25 V·1 200 A=5 100·D

换型后IGBT的VCEsat值为2.4 V左右，导通损耗：

Pcond=D·Vcesat·Ic=D·2.4 V·1 200 A=2 880·D

（3）IGBT续流二极管导通损耗

现有IGBT的二极管正向压降值Vf=2.8 V，损耗为：

Pf=D·Vf·If=D·2.8 V·1 200 A=3 360·D

图7 现有IGBT-If曲线

图8 换型后IGBT-If曲线

换型后IGBT的二极管正向压降值Vf=2.5 V，损耗为：

Pf=D·Vf·If=D·2.5 V·1 200 A=3 000·D

（4）IGBT续流二极管开关损耗对比

现有IGBT的Erec=1 650 mJ，二级管的开关损耗为：

Prec=fsw·Erec=1.650·fsw

换型后IGBT的Erec=1 450 mJ，二级管的开关损耗为：

Prec=fsw·Erec=1.450·fsw

（5）IGBT换型前后总损耗对比分析

现有IGBT的Psh=Pcond+Psw+Pf+Prec=5 100·D+3.7·fsw+3 360·D+1.65·fsw=8 460·D+5.35·fsw

换型后IGBT的Psh=Pcond+Psw+Pf+Prec=2 880·D+3.7·fsw+3 000·D+1.45·fsw=5 880·D+5.15·fsw

因此，在相同的测试环境下，使用相同的设备，在相同的频率和占空比条件下对现有和换型后的IGBT模块分别进行温升和开关损耗测试，发现换型后的IGBT模块通过电流能力更高，发热量明显比现有的IGBT模块发热量更低，温升明显减小，损耗也更小，基本可以解决过流过载导致的牵引逆变器IGBT故障爆裂的问题。

5 总结及结论

广州地铁A2型车牵引逆变器功率元器件IG⁃BT模块常因使用老化、过流等因素出现频繁故障、爆裂的情况，对列车正线运营造成较大影响。通过对IGBT故障数据统计及其历年来的故障可靠性和寿命分析，发现当前使用的IGBT型号并不能满足现在的使用要求，通过采取IGBT换型研究，即使用功率更大、内阻更小、电流通过能力更强的IGBT，可有效解决该问题。

［1］长客－庞巴迪轨道车辆有限公司.广州地铁A2型电客车维修手册［Z］.2006.

［2］董锡明.轨道列车可靠性、可用性、维修性和安全性（RAMS）［M］.北京：中国铁道出版社，2009.

［3］英飞凌公司.IGBT用户说明书［Z］.2012.