张萍
青藏铁路公司格尔木机务段
摘要：NJ2机车自投入运营以来，作为交直交传动机车核心部件的主电路逆变器相模块（电力电子器件IGBT和驱动电路），频繁发生饱和导通的故障问题。通过对IGBT器件工作原理和器件特性的认识，结合现场实际状况，找出故障发生的机理，制定合理的预防措施。
关键词：交流传动内燃机车；相模块；电路拓扑结构；擎住效应；米勒效应
前 言
2006年举世瞩目的青藏铁路全线通车之际，为有效保障这条通过生命禁区的钢铁大动脉的畅通无阻，铁道部引进由美国GE公司生产的高原型C38-Ache大功率交流传动内燃机车。投入运营以来，以其性能的稳定可靠，收到了良好的客货运输效益。近年来，随着78台C38-Ache机车总走行公里数的不断增加，一些因保养不到位或部件老化引起的故障逐渐开始发生，有些甚至呈现上升趋势，已经影响到机车途中的正常运行。其中，C38-Ache机车牵引逆变器相模块饱和就是一个典型的故障。根据技术统计数据，仅2014年，因相模块饱和的故障就发生94起。为解决相模块饱和问题，下面从C38-Ache机车传动原理介绍、故障模块现场检查情况以及相模块失效的发生机理等方面分别予以阐述。
一、NJ2机车传动原理简述
C38-Ache机车主电路采用交-直-交传动方式。主发电机发出的交流电经过主整流器变为直流电，输送至牵引逆变器的正负极母线。牵引逆变器根据机车速度以及中央控制计算机传来的控制指令，将主整流器输出至母线的直流电转换成可变频率的交流电，供给牵引电动机。C38-Ache机车牵引逆变器属开关网络型桥式逆变器，如下图所示。
图中所示的开关元件为绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor），简称IGBT。IGBT开关在C38-Ache机车上也称作相模块。因为逆变器要产生三相交变电流（A相，B相和C相），所以每一个牵引电动机逆变器包括六个相模块，而且电机的每一相经开关元件既要与正极连接又要与负极连接，把六个IGBT开关中的三个接到供电电源的正极，三个接到供电电源的负极，就组成了一台交流牵引电机的逆变器拓扑结构。外加其他所需的驱动电路、驱动控制电路、相模块检测电路以及驱动信号传输光缆等支持设备，就是一台完整的逆变器。
正常工作时，牵引逆变器控制器按照三相交流电动机的相序要求，分时控制六个开关元件按照一定的次序动作。但每一相桥臂须确保正负开关元件不能同时导通，以防母线短路。
二、故障现象和检查发现的问题
在实际运用过程中，在同一相逆变桥臂的正负两个开关元件中，其中一个开关元件正常导通时，另一个开关元件却因外部因素以及器件本身等原因导致栅极失控，发生未及时关断的故障现象。当逆变器检测电路检测到此故障现象后，会及时反馈信息给逆变器控制器，逆变器控制器在对此逆变器予以完全隔离的同时，通知机车中央控制计算机。由中央控制计算机记录该故障信息，并通过人机界面和警铃方式告知司机，当台牵引逆变器存在故障。
机车入库后，通过对故障下车相模块的外观检查和测量，损坏下车的相模块具体分为两类：
1、IGBT元件PN结发生击穿损坏，外观上并未出现烧损迹象；
2、IGBT元件PN结发生击穿，且存在明显的灼烧痕迹。
检查故障相模块时，我们还发现，所有发生饱和故障的相模块IGBT散热片均被灰尘完全覆盖，存在严重的散热不良问题，如图：
而且从机车逆变器外部线路到逆变器所有组件的检查中，再未查出其他故障影响因素，初步判断为散热不良就是引起的IGBT器件饱和的主因。下面从IGBT工作原理及失效的常见原因入手，并结合IGBT的高温特性予以分析。
三、故障原因分析
1、IGBT栅极失控（达到饱和）常见原因
自从大功率电力电子器件IGBT问世以来，根据实验室以及现场应用的累计经验，IGBT栅极失控导致器件饱和导通的原因通常有一下几方面的原因。
（1）过流触发擎住效应导致IGBT 损坏
IGBT有一定瞬时抗过流能力，外部控制逻辑也能提供一定保护。最主要的是IGBT驱动电路保护措施的设计一定要严密。由于IGBT半导工艺结构上存在一个寄生晶体管，也就是寄存可控硅。IGBT的理想等效电路如图1所示。
它是一个PNP双极晶体管和功率MOSFET采用达林顿连接而形成的单片BI-MOS晶体管。而实际的IGBT的等效电路却如图2所示。
IGBT 实际等效电路与理想等效电路相比不同之处在于T2 与T3 分别为可控硅与功率MOSFET 构成的。图中T2 是有条件的寄生存在的。正常使用不存在T2。但由于IGBT 制造工艺问题，存在一个低阻值扩散电阻Rd，在一般正常使用情况下，由于Ic 在 Rd 上的正向偏压不足以打开寄生NPN T2 晶体管，此时等于不存在T2。
当Ic 电流在Rd 上的压降大到能够使寄生NPN T2 导通，由于正反馈原因，使T2 和T3 快速处于全导通状态。这样在Ic 过流条件下，T2 的寄生晶体管存在，T2 和T3 晶体管已形成导通。门极控制作用失灵，失去控制作用，形成自锁现象，这就是擎住效应。一旦形成自锁，集电极电流增大，产生高热消耗，导致器件损坏。另外在IGBT 关断的动态过程中，dvce/dt 变化太快，在结电容中产生较大的位移电流，流过扩散电阻Rd，也会产生足以使NPN T2 晶体管导通的正向偏压，触发T2 的导通形成自锁。
（2）尖峰电压过高损坏
由于IGBT 的感性负载，在关断时产生尖峰电压，如果尖峰电压过高也会造成器件损坏。这时损坏往往为内置FWD 二极管被击穿
（3）栅驱动电路控制逻辑失灵导致桥臂直通
由于Miller（米勒效应）效应，当IGBT关断时可能从主回路藕合过来一个电压到VGE。当VGE达到开启电压时可能造成栅驱动电路控制逻辑失灵导致桥臂直通，烧坏IGBT。
2、IGBT过热对器件失控的影响分析
IGBT在导通过程中，无可避免要产生损耗。电流通过器件本身PN结产生的压降会产生额定损耗，IGBT作为开关原件，在开通和关断过程中，di/dt不可能达到无穷大，所以还会产生开关损耗。根据额定损耗以及开关损耗所产生的热量，IGBT结温（Tj）不能超过150摄氏度（一般不应超过125摄氏度）。
IGBT温度的升高对IGBT的正常工作有两方面的影响。
（1）由IGBT器件高温特性得知，在一定范围内器件温度升高有助于改善IGBT的静态下的通态特性，但对动态特性却带来不良影响。研究机构实验结果早已表明，IGBT关断时间会随着温度的升高而延长。
（2）引起IGBT自锁的集电极电流称之为擎住电流（NJ2机车故障事件记录称之为相模块饱和）。根据半导体器件的放大特性可知，当温度升高后，在上述“实际的IGBT等效电路”中，晶体管T2、T3的电流放大系数均有所增大，而且扩散电阻Rd的阻值也会也会因温度的升高而增大。T2、T3放大系数增大以及Rd阻值增大均会对IGBT自锁条件的形成起到一定的促进作用。擎住电流值在室温下一般为平均工作电流的六倍以上，但在IGBT温度升高至150摄氏度时，擎住电流会下降至平均工作电流的三倍左右，当IGBT温度升高至200摄氏度时，正常的工作电流就可以达到擎住电流，使IGBT自锁而失控。
至此，我们不难发现，IGBT散热片被灰尘覆盖导致的散热不畅对机车牵引逆变器相模块饱和导通有着不可忽视的作用。由于机车检测系统无法检测IGBT元件温度，为了验证故障原因理论推理的真实性，按照GE工程部的建议方案，对频繁发生饱和故障的机车逆变器IGBT散热片灰尘进行现车吹扫。经过对实施吹扫的三台机车的跟踪结果来看，散热片实施吹扫后故障报警再无发生。由此，推理得到验证。所以，清除相模块散热片表面覆盖的灰尘，并查找、消除灰尘进入散热片的渠道，才是解决机车牵引逆变器相模块饱和故障关键。
四、预防措施
依据故障原因分析的结果，我们会同GE公司现场服务组，从灰尘来源和灰尘消除两方面着手。
1、以逆变器/主发电机通风回路为重点，查找灰尘来源
牵引逆变器冷却用风通路如下图所示，交流发电机通风机通过电气室两侧的V形滤网把空气吸入系统。V形滤网能防止大的杂物（如树叶、植物纤维和羽毛等等）进入系统。接下来，空气流过两个位于电气室两侧的空滤器栅。这些空滤器栅能滤除空气中细小的污物颗粒。经滤清的洁净空气经过牵引逆变器相模块背面和整流装置二极管背面的散热片，使功率电子器件得以冷却。为了确保冷却空气通路畅通，利用机车定期修的充裕时间，制定整修计划，对牵引逆变器冷却用风通路予以彻底清洁，尤其是对电气室两侧的空滤器栅和V形滤网予以堆积物的清理。在保证牵引逆变器冷却用风通路畅通的同时，也有效发挥V形滤网和空滤器栅的除尘作用。，同时对通风通道的密封性能做彻底的检查整修，防止灰尘不经空滤器栅直接进入冷却用风通道。
牵引逆变器冷却用风通路
2、对相模块进行现车改造吹扫
根据机车相模块的结构特点和GE工程部的建议方案，在做好必要的器件安全防护措施下，现场对相模块进行开孔。通过开启的钻孔将压力空气喷嘴插入到任一钻孔，压缩空气通过喷嘴，在散热器上上下移动，在同一相模块开启的另外一个钻孔插入强力吸尘设备同步进行吸尘。当前钻孔清理完成后，使用一个手电筒，进行目视检查，确认清理达到预期效果。然后，将压力空气喷嘴和吸尘设备在两个钻孔间进行互换，重复执行一次吹扫和吸尘的操作，并确认检查清理效果。确保污垢清理尽可能完全。当机车所有相模块执行孔钻清理后，当台机车逆变器散热片的清理工作结束。
结束语
根据本次相模块过热饱和故障的结论分析和实际改造，会同GE公司现场服务组和相关检修单位对此次故障的治理做效果检验总结如下：
1、大大降低了IGBT故障率。通过对IGBT饱和导通故障较为频繁的机车改造后的故障统计结果来对比，2013年6-7月份共计发生故障27起，经过改造后，同期相比，未发生任何故障。
2、有效降低了工作量。前期对IGBT的无法进行清扫，改造之后，只需要用压力空气配合吸尘器进行清扫，方便以后定期修中的清扫工作。
参考文献：
[1].《现代电力电子器件及其应用》.北方交通大学出版社.2002年3月第1版
[2].《C38-Ache机车电气和控制系统》.内参
论文作者:张萍
论文发表刊物:《基层建设》2015年4期
论文发表时间:2015/9/23
标签：逆变器论文; 机车论文; 故障论文; 模块论文; 散热片论文; 电流论文; 晶体管论文; 《基层建设》2015年4期论文;