基于地铁牵引架控系统IGBT模块击穿问题的研究

张超 季本慧

摘要：IGBT是牵引变流器的核心部件，对于牵引系统的正常运行起着至关重要的作用。而地铁牵引架控系统与车控系统相比有所不同，其采用一个变流器模块控制一个转向架上的电机，IGBT的排布方式也有所不同。本文针对架控系统中IGBT模块击穿问题进行分析，找出可能存在的原因，并加以解决，这对于以后架控系统的IGBT模块故障排查有重要的借鉴意义。

关键词：架控;变流器;IGBT模块;击穿;

中图分类号：TM56文献标识码： A

Abstract：IGBT is the core component of traction converter and plays an important role in the operation of traction system.Compared to the vehicle drive propulsion system，bogie drive propulsion system uses a converter module to control two motors on a bogie. The IGBT layout of bogie drive propulsion system is different from vehicle drive propulsion system.This paper analyzes the breakdown problem of IGBT forbogie drive propulsion system. The purpose of this paper is to find out the possible reasons and solve them. It has practical significance for IGBT fault detection forbogie drive propulsion system in the future.

Key words：Bogie drive; Converter; IGBT module; Breakdown

0.引言

IGBT，全称绝缘栅双极型晶体管，其主要由两部分组成，一部分是双极型三极管，一部分是绝缘栅型场效应管，这两部分复合组成了IGBT。所以IGBT是一种复合全控型并且由电压驱动的功率半导体器件，该器件在饱和压较低的同时驱动功率较小，普遍应用在地铁车辆牵引系统中的直流电压在DC600V及以上的变流器设备中。在地铁车辆的牵引系统中，IGBT部件的重要性不言而喻，如果IGBT出现故障势必会影响地铁车辆的运营性能和安全。基于此，有必要对IGBT故障原因进行分析。本文基于地铁牵引架控系统，对IGBT击穿故障进行详细分析，找出故障原因。

1.IGBT基本原理

三十多年前，由于MOSFET和GTR有其自身的缺陷，比如导通压降较高，驱动的功率较大和工作的频率比较低等问题，这时候就需要研究制造出一款双机理复合器件[1]来解决这些缺陷和问题，IGBT此时应运而生，其结构也是一种复合结构，是将一个具有较低电压的MOSFET 叠加一个电压高电流大的GTR组合而成，这样的一款器件同时解决了上述单一器件的缺陷和问题，为在地铁车辆的牵引变流系统中大量应用提供了强有力的支撑，同时也解决了牵引变流系统中核心部件的缺陷问题，下面主要从其开通过程和关断过程两个方面来解释其基本原理。

1.1 开通过程

基片在应用时，在管体的两个区域共同形成了一个J1结（P+区和N+区）。 在正栅偏压的情况下，栅极的下面有反演的P基区，这时N沟道就形成了，伴随着电子流也相应地产生了，这种是完全按功率 MOSFET方式来的，一股电流也就产生了[2]。同时这个电子流产生了电压，大约在0.7V左右，这将最终导致J1出现一个正向的偏压，一些空穴会注入在N-区内，同时阴极和阳极两者之间的电阻率会进行一系列调整。这种模式的出现，功率导通的总的损耗被降低了，同时第二个电荷流也由此产生。最终结论是在半导体的内部层次中临时出现了两种不同类型的电流拓扑，一个为电子流（MOSFET电流），一个为空穴电流（双极）[3]，这两种电流拓扑构成了开通的主要工作过程。

1.2 关断过程

关断过程中，在栅极处施加一个负偏电压，或者栅压低于规定的限制值时，在沟道中会被禁止，N-区中并没有空穴注入，在每一种情形中，假如MOSFET电流在开关时就出现迅速下降，这时集电极的电流就会慢慢降低，这就是在换向开始后，N层中还会有少量的载流子，即少子[4]。这种情形下，残余电流值，即尾流会出现降低，这完全取决于其在关断时的电荷密度，同时密度又和几个因素相关，比如，层次的温度、厚度，还包括掺杂质的数量等等，以上就构成了关断过程，在开通和关断的过程中实现了变流器变流的功能。

2.TC1420平台牵引输出及IGBT排布

2.1 牵引变流器输出三相

牵引逆变器将1500VDC直流转化成变频变压的交流电，通过IGBT完成逆变电源输出，此为地铁车辆最常见的的变流系统。

2.2IGBT模块

IGBT模块由多个部分组成，树脂包围外壳，里面嵌有端子、电极，同时还有树脂镶件。芯片以及续流二极管同时埋置在模塊中，并焊在一起，置于DCB衬板上，同时芯片与芯片之是用超声键合线来连接的。模块内部的主要有许多部件，如DCB衬板、芯片和底铜板。在这些部件中，芯片和DCB衬板之间、DCB衬板与底铜板的连接方式为焊料相接，DCB衬板的结构三部分，为上铜层，陶瓷层和下铜层。一个牵引逆变器模块包含多个IGBT模块，包括过压斩波IGBT和相IGBT。

3.实际项目调试过程中的故障

在上海浦东机场捷运项目调试时发现MP1车TCMM箱牵引报GDU6反馈故障，检查时发现对应GDU的IGBT C脚、G脚击穿，检查箱体后发现其中一个IGBT对应的电流传感器插头松脱，重新插紧插头后，故障消除，车辆运行正常，以下是对该次故障的分析。

4.原因调查分析

4.1电气检查

IGBT1 外观检查无异常，无明显烧灼痕迹。

2测试压降，发现IGBT6门极击穿（图2红圈部分），电压导通。

GDU外观检查无异常，通电测试，未发现异常。

4.2 原因分析

造成IGBT的击穿的原因主要有过压、过流和短路。而在现场测试出的网压显示牵引系统供电电压均处于正常状态，故考虑短路和过流这两种原因。

IGBT短路主要有以下两种：

桥臂内短路（直通），这种情况又可已分为几种情形，一种为命名为“一类”的短路，一种为硬件电路失效或软件失效，还有一种是在短路回路中存在的电感值很小，为纳亨级。

桥臂间短路（大电感短路），这种情况也以可分为几种情形，一种为命名为“二类”的短路，一種相间短路或者相对地短路，还有一种是在短路回路中存在的电感值稍小，也为纳亨级，这些都是根据电流变化率来定义的，这类短路的回路中电感量是不确定的。

研究显示，门极电压在增高的同时短路电流倍数也会增高，相应地所允许的短路时间会变少。如果情况相反，短路所允许时间将会变长。在短路发生时如果门极电压在降低，IGBT中的短路电流也会随之下降，所能容忍的时间会越来越长[5]。

防止IGBT短路的解决方法是在IGBT前端设置驱动电路，即GDU门级驱动单元，根据对现场击穿后的IGBT所对应的GDU进行检测发现GDU并无损坏，故认为IGBT的击穿并非短路所引起的，所以造成IGBT击穿的只有过流这一种原因。

IGBT过流的实质表现为回路电感较大，在此种情况下电流上升相对于短路而言比较缓慢，IGBT退出饱和的现象不会出现，但此时电流比正常工况高得多，因此经过若干个开通和关断后，IGBT的损耗出现一个比较高的数值，结温上升得较为迅速，从而导致击穿。与此同时，IGBT驱动器不能及时发现这一现象并予以处理，原因在于IGBT饱和压降的变化微乎其微，驱动器在正常情况下识别不到这种变化，这时电流传感器对于分析过流故障起到了支撑作用，因为可以用其来感知电流数值的大小，这样也起到了相应的保护作用。该项目中U、V、W三相IGBT在各自对应的电流传感器接线正常的情况下相电流矢量和应为零，而此时现场电路中一相电流传感器插头松脱，造成另外两相的相电流矢量和不为零，该项IGBT也失去了保护，在大电流的冲击下最终导致其被击穿，现场将松脱的电流传感器插头插上后故障消除。

5.结论

牵引架控系统IGBT模块击穿的原因分析可按照本文列出的原因进行逐项排查，最终得出故障的根本原因，该方法可以在现场处理IGBT击穿故障时采用，为排除IGBT故障提供了实用的解决方法和操作方案。在地铁车辆的牵引系统中，一般的IGBT故障通过以上的排查可以快速找到故障点，大大提高了现场的故障排查效率，这对于地铁车辆的运营和维护有着积极和现实的意义，在地铁车辆上可以广泛应用。

参考文献

[1]吴红奎IGBT基础与应用实务[M]，科学出版社，2010，22-27.

[2]安德列亚斯 福尔克 麦克尔，郝康普 IGBT模块：技术、驱动和应用[M]，机械工业出版社，2016，52-56.

[3]龚熙国 高压IGBT模块应用技术[M]，机械工业出版社，2015，32-35.

[4]周志敏IGBT驱动与保护电路设计及应用电路实例[M]，机械工业出版社，2014，34-39.

[5] 郁洪良，李跃水，白继彬，赵善麒，杨旭IGBT器件产业化路线图研究--基于路线图理论的分析[M]，科学出版社，2014，121-123.