电力机车变流器中绝缘栅双极型晶体管模块炸裂原因及预防措施

白亚林

摘要：和谐电3b型电力机车自投入使用以来曾多次发生牵引变流装置绝缘栅双极型晶体管模块炸裂破损故障。因此对和谐电3b型电力机车变流器中绝缘栅双极型晶体管模块炸裂原因的分析及预防势在必行。文章将以电力机车变流器中绝缘栅双极型晶体管模块炸裂原因及预防措施作为切入点，在此基础上予以深入的探究，相关内容如下所述。

关键词：电力机车；变流器；绝缘栅双极型晶体管模块；炸裂；预防

众所周知和谐电3b型电力机车配备三个牵引变流柜，各牵引变流柜的主电路与控制电路均为单独存在，向六台牵引电动设备与辅助系统传输交流变频电。在一组变流装置出现故障的状态下，经微机控制系统（VCU）把故障变流装置予以阻断，同时可经微机显示屏隔离特定的变流装置，进而机车可以三分之二的牵引动力继续运转，而辅助系统经故障切换，两组辅助变流装置完成对全车系统与控制系统提供电能，达到机车的冗余控制。各牵引变流柜通过两个网侧变流装置、两个电机变流装置以及一个辅助变流装置所构成，这些变流装置共用一套中间直流系统。两个电机变流装置向两台电机提供电能，而辅助变流装置的电源源于牵引变流装置的中间直流电路。

1.绝缘栅双极型晶体管概述

绝缘栅双极晶体管综合了电力晶体管（Giant Transistor-GTR）和电力场效应晶体管的优点，具有良好的特性，应用领域很广泛；绝缘栅双极晶体管也是三端器件：栅极，集电极和发射极。绝缘栅双极晶体管是MOS结构双极器件，属于具有功率MOSFET的高速性能与双极的低电阻性能的功率器件。绝缘栅双极晶体管的应用范围一般都在耐压600V以上、电流10A以上、频率为1kHz以上的区域。多使用在工业用电机、民用小容量电机、变换器（逆变器）、照相机的频闪观测器、感应加热电饭锅等领域。

绝缘栅双极晶体管是强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率MOSFET的自然进化。MOSFET由于实现一个较高的击穿电压BVDSS需要一个源漏通道，而这个通道却具有很高的电阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS（on）数值高的特征，绝缘栅双极晶体管消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。虽然最新一代功率MOSFET器件大幅度改进了RDS（on）特性，但是在高电平时，功率导通损耗仍然要比绝缘栅双极晶体管高出很多。

2.和谐电3b型电力机车变流器中绝缘栅双极型晶体管模块炸裂成因研究

2.1.外电路原因

绝缘栅双极型晶体管模块受损一般是因为输出短路及接地等因素所导致。不过从实际检查去分析，变流装置模块输出电缆与电机等外部电路不存在问题，同时故障模块在换置新的绝缘栅双极型晶体管模块后，牵引变流装置恢复工作，所以我们可排除变流装置模块输出短路及接地等因素导致绝缘栅双极型晶体管损坏。

2.2.自身软件原因

和谐电3b型电力机车使用DYTP150A的门驱动单元（GDU），因为受变流装置特定运行条件下出现的共模电流干扰造成绝缘栅双极型晶体管模塊故障。经对故障模块的实检测，高压工业模块（HVIM）经原始的变流设备模块（CM-M）电缆及门驱动单元相连接，门驱动单元能够被注入至高压工业模块终端的电压脉冲所影响。

2.3.网压波动导致绝缘栅双极型晶体管模块受损

通常在二十二至三十千伏网压下，机车最大输出功率为九千六百千瓦。而十九千伏的网压下，机车最大输出功率则为八千千瓦。网压若不超过十七千伏的状态下，牵引功率线性减少至零，不过辅助功率已然有效。机车功率特点见图1。

在网压超过三十一千伏的状态下，牵引功率线性减少至零。经恒功率计算，能够算出，在网压为十九千伏时，网侧变流装置模块A101与A102 输入电流超过一千五百安培。所以，整流器输入电流峰值设计值即：√2×1548×1.1=2410安培。在千分之十三坡道区域取机车满功率的网压与电流参数，通过公式算出电流参数为一千五百四十安培。整流器输入电流峰值计算参数即：√2×1540×1.1=2400安培。

分析机车实际运行环节的客观因素，实际检测参数及理论计算参数会有两个百分点的误差，因此在网压减少至十九千伏的状态下，网侧变流装置模块A101及A102输入电流会超过三千安培，绝缘栅双极型晶体管可以承受的最大电流极值为两千四百三十安培。若长时间波动，那么可能会导致绝缘栅双极型晶体管模块受损。所以总结出，网压波动大是导致绝缘栅双极型晶体管模块受损的主要因素。

3.预防的有效举措

对于门驱动单元软件问题予以升级。针对上述故障形式，将其局限于门驱动单元的两个功能范围内进行。完成升级后的软件要深化门驱动单元的抗电磁影响能力，减少因为绝缘栅双极型晶体管模块开关速度造成的电磁干扰。防止在电磁影响状态下发生延迟开通的问题，绝缘栅双极型晶体管的最短开通时间要在驱动控制单元门驱动单元上被监测，减少电磁影响，降低绝缘栅双极型晶体管开通与关断的开关转换速率。近年来，我们在一百台和谐电3b型电力机车中选择三十台的门驱动单元予以软件升级，在此基础上予以试验，直至二零一二年十二月，一百台机车故障模块共七十二个，其中旧版本软件模块为五十三个，新版本软件模块十九个，故障率降低了三十个百分点。

建议深化过流保护设定值。降低网压波动所导致二次过电流保护，因为绝缘栅双极型晶体管的遮断试验电流保护系数为两千四百三十安培，因此过流保护参数可以增加至两千六百安培。而针对网压波动问题，我们可以对接触网线路予以扩容处理。针对网压波动问题建议对接触网线路进行扩容改造。

4.总结

综上所述，为了有效避免绝缘栅双极型晶体管模块炸裂，要深化抗电磁干扰能力，绝缘栅双极型晶体管的最短开通时间仍然在驱动控制单元DCU上被监测，防止在电磁影响状态下发生延迟开通的问题。虽然目前采取了一系列的预防举措，控制了此类故障的发生，不过绝缘栅双极型晶体管模块炸裂问题还未得到根本的解决，伴随对和谐电3b型电力机车的深入了解，我们会深入的予以研究，进而保障铁路运输的稳定性及可靠性。

参考文献：

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