预精轧SM150功率模块烧坏原因分析及处理

杨云峰

（山西通才工贸有限公司， 山西 曲沃 043400）

预精轧SM150功率模块烧坏原因分析及处理

杨云峰

（山西通才工贸有限公司， 山西 曲沃 043400）

针对山西通才工贸有限公司双高线A线预精轧SM150传动柜IGBT功率模块烧毁情况，分析故障曲线、查看OP177故障记录并追溯判断故障来源，综合各种情况并通过排除法找出烧毁原因，最终提出相应的处理方法和注意事项。

预精轧 SM150传动柜 IGBT功率模块 灰尘 成对更换

山西通才工贸有限公司双高线A线于2012年5月28日正式投产，预精轧17/18架机组为引进达涅利高速线材预精轧机组，电机为上海电机厂生产的2 200 kW、3 300 V的交流异步电动机，驱动装置采用西门子风冷型SINAMICS SM150，其功率元件采用IGBT模块，控制单元为SIMOTIOND445-1。

预精轧机组在正常运行的情况下，SM150传动柜报警停机。停电后打开SM150，模块组A11-IGBT炸管，其控制板烧糊，同时造成与其相连的直流母排部分绝缘破坏，柜门内侧直流母排被不同程度地损坏。更换两组IGBT并对母排做绝缘处理，对碳化部分进行打磨擦拭处理，操作完成后，送电试机运行，正常过钢。

1 IGBT损坏原因分析

1.1 分析故障曲线

从故障曲线（见下页图1）可以看出：事故前进线电压从3 381 V上升至3 435 V，设定值为上限10%、下限20%，在正常范围内；在空载情况下，力矩从1.1%下跌至-139.9%，电流从14.7%上升至199.8%；经过0.021 s，进线电与直流电停电，证明此时SM150已故障分闸，经过0.035 s直流电流从3 A上升至1 598 A，IGBT被击穿；判断SM150出现异常，虽然紧急停机但未能阻止事故进程。

1.2 分析OP177故障记录

1.2.1 故障记录

1）WA71/C4 communication fault operator panel。

2）WA71/C4 communication fault active infeed1。

3）WA71/C4 external pulse disable。

1.2.2 通过故障追溯判断故障来源

1）communication fault operator panel为 OP177通讯中断。

2）communication fault active infeed1为 SIMOTION_CX32-A_INFMV的通讯状态字1。

3）externalpulsedisable 为 SINAMICS_Vector-TM15通讯状态字1。

4）通过SIMOTION SCOUT也未能找到故障发生前有效的警告或异常信息。

1.3 综合以上因素考虑各种情况

1）正常运行时，由于控制电源出现线路虚接或断路器接触不良等故障，造成控制电压瞬间降低或丢失，装置失电重启，通讯出现中断，IGBT导通失控，进而导致IGBT损坏。

2）由于IGBT组件安装工艺复杂，对操作人员要求高。日常清洁处理能将其表面浮灰清除，而部分灰尘附着在其背面难以通过普通方式得以清除，为故障的发生提供了条件。考虑可能会由于灰尘使IGBT控制板局部短路而造成IGBT错误导通短路放炮。

3）IGBT损坏瞬间释放较大能量形成局部放炮，导致其控制板损坏，而控制板的损坏造成控制电源瞬间异常，进而造成D445-1与OP177 SIMOTION_CX32、SINAMICS_Vector通讯中断，故障信息采集失败。［1］

1.4 根据2.3分析所得情况对可能原因进行排除

1）对SM150所有控制电源及其进线进行相关检查，未发现相关部分有问题，排除由此造成的可能。

图1 故障曲线

2）灰尘对IGBT控制板的损害主要集中在两个方面：一是粉尘对电路板的腐蚀。事故发生时，控制板部分已经损毁，剩余部分在30倍放大镜下未发现明显腐蚀情况，对电路板元件使用仪表进行单独测试，发现所有元件性能正常。二是灰尘积聚过厚，会与湿气形成电阻，可能会导致电源短路和控制失灵。但此SM150为风冷型，控制室冷却由空调完成，而空调本身具有除湿功能且事故当天天气晴朗，室内环境较为干燥，从控制板损坏现象看更接近于由外部对其造成的伤害，据此考虑灰尘可能为故障的发生提供了条件但不是主要原因。

3）SM150电压为3.3 kV，IGBT块被串联连接用于电压分布，串联IGBT运行时，因其个体的性能差异和外围电路参数不一致等原因会造成串联各IGBT上出现分压不均衡的现象，即静态均压失衡和动态均压失衡。静态均压失衡的主要原因是器件的断态阻抗不同，串联后在器件上造成电压的分配不均。由于串联的lGBT开通和关断过程不同步而引起的瞬态电压分配不均被称作动态均压失衡。均压失衡的后果是导致某个或某几个器件出现电压尖峰。均压失衡和动态均压失衡都会引起器件被击穿，随着使用年限的增加，IGBT的性能差异不断增强，当这种变化达到一定条件，就会发生故障［2］。另外，IGBT桥臂在正常运行时，IGBT将依次开通和关断，其开通时间和关断时间不是严格一致的。为了避免桥臂直通，在控制中设定一个死区时间。要首先关断其中一个，然后在死区时间结束时开通另外一个，这样就能够避免由于开通时间和关断时间不对称造成的直通现象，但在实际使用过程中随着IGBT的逐渐老化，原有的死区时间不能满足要求，就会造成两个IGBT同时导通，引起击穿［3］。

2 处理方法及注意事项

1）利用P0070直流母线电压实际值总值［0］= P0070直流母线电压实际值正极对M极［1］+P0070直流母线电压实际值负极对M极［2］，经D445-1与主轧线PLC通讯将此三个信号通过IBAPDA进行实时监控，并在PLC中编辑程序，当P0070［1］与P0070［2］差值大于1‰时程序开始报警。

2）保持传动柜内元器件清洁对设备安全运行至关重要，但预精轧机SM150柜因采用风机冷却，柜内灰尘积聚太多，死角无法清理，存在安全隐患。于是决定对传动柜进行密封处理，尽量减少灰尘影响，并由西门子专业人员对SM150进行定期预维护。

3）鉴于SM150对电气人员素质要求较高，因此在今后一段时间内应加强对电气人员的技术培训，提高检修人员的操作技能。

4）对于SM150柜内模块的更换，必须成对更换，西门子提供备件也是成对提供的，并且在模块的端侧贴有相同编号的标记。随意单独更换某一个损坏的模块，将会因模块性能的微小偏差，造成成对模块开关不同步，本应由两个模块共同承受的的电压，瞬间会由一个模块承担，时间稍长就会造成另一个模块损坏。如第95页表1所示，成对组件为：A11+A12和A13+A14，A21+A22和 A23+A24，

表1 IGBT在整流柜内布置

相UVW功率组件1 A11 A21 A31功率组件2 A12 A22 A32 A15 A25 A35功率组件3 A13 A23 A33功率组件4A14A24A34

TG333.11

A

1672-1152（2016）05-0091-02

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.05.32

2016-08-11

杨云峰（1983—），男，电气工程师，主要负责双高线电气设备管理工作。