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电力机车主牵引变流器中IGBT的故障分析及技术措施

电力机车主牵引变流器中IGBT的故障分析及技术措施

2012/6/14 9:11:33

   IGBT可视为双极型大功率晶体管与功率场效应晶体管的复合 通过施加正向门极电压形成沟道 提供晶体管基极电流使IGBT导通 反之若提供反向门极电压则可消除沟道 使IGBT 因流过反向门极电流而关断 比较而言 IGBT的开关速度低于MOSFET却明显高于GTR IGBT 的通态压降同 GTR相近 但比MOSFET低得多 IGBT的电流 电压等级与 GTR 接近 而比 MOSFET 高 其开关损耗比两者都低得多而且IGBT 正向着高耐压 高频率 大电流 低饱和压降 高可靠 低成本的方向发展,机车运行状态中如出现短路 过载等情况 可能会引起IGBT模块粗线键合在芯片与金属焊接处断开 此时在焊点周围会产生金属蒸汽团 在模块中建立起一种等离子体 此类情况较难进行把控 由于内部气体不断膨胀 壳体受到内部压力而破裂 如果内部等离子体密度 压力很大 而外壳密封又很好 所以一旦到达极限时就会出现类似压力容器爆炸的事故 而且爆炸过程等离子体进入设备中 造成整个系统的严重损坏 甚至造成列车停留在区间 严重影响运输秩序及行车安全 IGBT的失效问题如果以失效因素来分 可分3大类 第1类是内部结构缺陷和制造工艺带来的潜在失效 第2类就是各种外部应力对其造成的失效 如电应力 表现为过电压 过电流毛刺 热应力 静电 辐射 湿度等 第3类是电路其他环境对其造成的影响 例如驱动电路 吸收电路 回路寄生电感 寄生电容等 这些环节设置不好 将加速器件的失效这里对HXD3机车CI部分中IGBT失效现象做针对性的分析CI单元体内应用的开关器件 都要经受恶劣的运行环境 复杂的负载状况的考验 而IGBT模块内部的结构对此状况尤为敏感 IGBT 模块基板材料都是铝瓷 通常称为碳化硅铝ALSiC这种材料具低膨胀系数和高热导率的特性 因此称为最理想的IGBT基板材料铜基板 衬底为金属化的陶瓷板 称DBC板 和芯片组成的多层结构 它们是以机械焊接方式焊接起来的 芯片是通过许多一定粗细的铝丝用所谓粗线键合 超声波铝丝压焊 方法与管壳的发射极连接 机车上的IGBT模块要在几秒间隔内承受快速变化的负载加热和冷却 但是每根铝丝与芯片接触面积仅占芯片有效面积的15左右 因此将产生芯片局部热量变化 材料和焊接点产生疲劳引起的损坏IGBT模块在牵引状态中应用对热疲劳影响较大 再加上机车在牵引过程中一直处于剧烈的三维振动状态 对其内部结构会产生不可忽视的影响 加剧了失效速度3防止HXD3机车IGBT失效的技术措施IGBT的过流保护采用了瞬态钳位保护和软件保护两种 当硬开关故障 简称 HSC 和负载短路故障简称FUL 发生后IGBT处于短路状态 以及密勒电容的影响 会产生很高的didt以至于使其进入擎住区 失控损坏 机车IGBT模块的门极驱动电路内具有瞬态钳位保护的功能 当短路故障发生后Uce压降升高 致使连接在CE上的检测二极管退饱和 进而封锁门极驱动动作并反馈给控制单元报告错误 同时由软件控制封锁所有的驱动信号并报警 让IGBT在进入擎住区前就自动关闭该种保护响应速度快 并具有可以发出反馈信号等特点 但是瞬间的高电压冲击是无法避免的 尤其回路中存在寄生电感而所使用的IGBT模块中并没有加入RC保护电路的情况下 会造成PN结不可恢复的损伤因此要积极避免发生过电压故障 而在应用过程中机车的PG速度传感器 信号采集不准确 会引起控制单元采集的转速信息不正确 进而引发对四象限整流器和逆变器的失调和超调 使中间直流电压超过3200v的保护值 或者对负载的扭矩调整不正确 以及各种强磁干扰信号等都会诱发过电压故障 因此 机车定修时应仔细检查速度传感器无异常 连线无损坏 插头连接紧固 安装可靠 为避免发生IGBT因环境高温损坏 应仔细检查冷却水管道 管道各接头部位 各种阀类应无漏水痕迹 检查冷却水位在刻线范围内 如果不足 在查明不足原因后 注入缺少的冷却液 高压试验确认冷却水流量达到要求 200-220 L/min 外观检查冷却泵无异常状态良好.

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王静
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