地铁列车辅助逆变器IGBT失效原因分析及应对

引言

东莞市轨道交通2号线采用120km/h速度等级6节编组B型车,全车设置4台辅助逆变器,实行中压并网供电。辅助逆变器通过受流装置获取DC1500V高压后转换成AC380V交流电输出,供车辆三相负载使用。同时,蓄电池充电机将辅助逆变器输出的AC380V转换成DC110V,供车辆直流负载使用。一旦辅助逆变器故障停止工作,除牵引系统外的其他系统皆无法正常运转,列车只能清客下线,严重时甚至会引发救援。

IGBT是轨道交通车辆辅助逆变器的核心器件,属于运行工况复杂的大功率电能变换装置,经常工作在高压、大电流条件下,如果不能及时检测出故障并进行保护,极易造成永久性损坏。

2021年以来,2号线列车正线发生多起IGBT失效导致辅助逆变器故障事件,严重影响了正线运营服务质量,因此必须对辅助逆变器IGBT失效原因进行调查并予以解决。

1辅助逆变器工作原理分析

东莞轨道交通2号线列车辅助逆变器采用模块化设计,由电流传感器(U12和U13)、电压传感器(A40-U11)、直流环节电容器、放电电阻、过压保护装置、IGBT逆变单元构成,电气拓扑图如图1所示。辅助逆变器工作原理为列车控制系统发送启动命令到辅助逆变器控制单元,控制单元通过控制分离接触器和充电接触器分合,对直流环节电容器进行缓慢充电,当直流环节电容器电压达到规定电压值,辅助逆变器开始工作,通过门极驱动单元GDU控制逆变单元中的IGBT器件开通和关断,将DC1500V直流电转化为三相交流电输出,供给负载。

为了确保IGBT散热效果良好,IGBT器件被安装在金属材质的散热器上。由于IGBT和散热器这两个刚性物体接触面凹凸不平、存在空隙,空气充斥其中,而空气导热性能很差,因此需在IGBT和散热器接触面间均匀填充一层薄薄的导热硅脂,从而改善接触面间热流传递,提高散热效率。

2lGBT器件失效分析

2.1lGBT失效数据统计

东莞轨道交通2号线2016年开通运营,前期辅助逆变器运行状态良好,2021年开始,辅助逆变器IGBT器件失效率偏高。根据故障数据统计,发生辅助逆变器IGBT失效的列车号分布较为分散,且在不同车辆上均有发生:按月统计,IGBT器件失效各月均有分布,7月一9月相对较多,辅助逆变器IGBT部分失效数据如表1所示。根据东莞气象局统计数据,7月一9月是东莞地区气候温度最为炎热的时候,也是空调工作载荷最高时期,初步判断辅助逆变器IGBT失效故障与工作温度及散热存在一定关系。

2.2lGBT失效原因排查

IGBT失效机理较为复杂,在实际应用中引发IGBT失效的原因有IGBT装配质量差、IGBT器件散热不良、IGBT器件老化、外部负载启停冲击、器件选型不当、静电损坏等。2号线列车辅助逆变器IGBT器件选用国际知名品牌产品,在轨道交通行业中应用广泛,其在国内其他项目应用未反馈故障率高。结合IGBT故障数据统计及失效情况,确定了4个排查方向。

2.2.1IGBT器件装配质量

首先排查辅助逆变器日常维护过程中IGBT装配质量和工艺可能造成IGBT失效的因素,包括静电释放、安装力矩偏差、螺栓紧固工序、导热硅脂厚度超差等。排查确认检修人员在维护设备时均有佩戴静电手环,确保IGBT不受人为操作造成的静电释放影响:IGBT安装工艺规范,螺栓顺序正确,紧固力矩满足工艺要求:硅脂均采用导热硅脂覆涂机进行涂刷,涂刷厚度满足要求,以上排除了IGBT器件装配质量差导致失效的原因。2.2.2IGBT器件散热不良

抽取20列车辅助逆变器拆解检查,发现IGBT与散热器之间的导热硅脂存在干结、硬化现象,散热器表面有硅油析出流淌痕迹,具体如图2、图3所示。

对硅脂干结原因分析如下:当前辅助逆变器使用的导热硅脂含硅油成分,根据硅脂特性,散热器温度升高,导热硅脂流体体积膨胀,分子间距离拉远,相互作用减弱,黏度下降,硅脂处于半液态。而辅助逆变器IGBT器件在车辆上是垂直布置,在重力作用下,硅脂会往IGBT器件朝下一侧聚集,造成硅脂分布不均,IGBT器件与散热器之间形成部分空腔。空腔中填充的是空气,而空气的热导率仅为0.025W/(w·m),要比硅脂热导率3.3W/(w·m)差很多,因此整个IGBT器件散热不均匀,部分区域温度过高。硅脂中的硅油在高温条件下析出流失,硅脂变干结,进一步降低了IGBT器件散热效率,从而加速了IGBT模块失效。

2.2.3IGBT器件老化

为进一步查清IGBT器件失效原因,参照《半导体器件分立器件第9部分:绝缘栅双极晶体管(IGBT)》(GB/T29332一2012)中IGBT检测参数种类及方法,并结合IGBT厂家提供的产品文件,制定了辅助逆变器IGBT器件性能测试参数标准,如表2所示。

按表2制定的测试项目及标准,使用专业仪器随机抽取3个辅助逆变器共18个IGBT器件进行测试。测试结果表明,部分辅助逆变器模块的IGBT器件出现了不程度的老化,主要表现在IGBT器件耐压值(Vces/Vrrm)、IGBT器件集电极-发射极截止电流(Ices/Ir)不达标,具体测试情况如图4、图5及表3所示,这也是导致2号线列车辅助逆变器IGBT失效率偏高的重要原因。

2.2.4外部负载启停冲击

为排除列车负载(如空调、车门等)工作不稳定等外部因素造成辅助逆变器IGBT失效的可能,组织第三方专业机构对车辆辅助逆变器前、中、后端负载进行电流/电压参数测量,确认AC380V、DC110V负载启停过程对辅助逆变器无严重冲击,不是造成辅助逆变器IGBT失效的原因。

3应对措施

根据以上分析,IGBT器件失效率偏高的原因是辅助逆变器硅脂干结及IGBT器件老化、性能下降,为此采取如下针对性措施进行改善:

(1)重新涂刷20列车辅助逆变器导热硅脂,改善硅脂干结带来的IGBT器件散热不良影响。

(2)针对目前使用的硅脂存在受热硅油析出导致干结问题,重新对硅脂进行选型,换型为不含硅油成分且热效率性能更优越的TC5628新型硅脂。TC5628型硅脂已于2021年6月装车试验,效果良好。

(3)使用专业的测试仪器对20列车辅助逆变器IGBT器件进行性能测试,将性能不合格的IGBT筛查出来,进行更换。

4结语

2022年2月完成整治以来,东莞轨道交通2号线列车未再发生一起因IGBT器件失效导致的辅助逆变器故障,设备故障率上升的趋势得到了有效控制,有力保障了运营的安全。