跨座式单轨车辆辅助逆变器IGBT模块失效分析.pdf
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1、文章编号:1 0 0 2-7 6 0 2(2 0 2 3)0 4-0 1 4 7-0 7跨座式单轨车辆辅助逆变器I G B T模块失效分析李仁彬,郭世成,谢 双,刘云飞,甘文江,肖 瑜(重庆市轨道交通(集团)有限公司 大修公司,重庆 4 0 1 1 2 0)摘 要:辅助电源系统作为跨座式单轨车辆上的重要组成部分,主要通过控制辅助逆变器开关元器件I G B T的开合顺序,将直流电转化为交流电为车辆设备供电。文章以重庆轨道2号线8 4辆车为研究对象,主要针对跨座式单轨车辆辅助逆变器在长时间运行后的I G B T模块失效形式进行统计与研究,结合故障现象和运营环境提出针对性的解决方案和设备维保建议。通
2、过对I G B T模块失效机理及特征指标的分析发现,跨座式单轨车辆辅助逆变器I G B T模块的主要失效形式为封装级失效,即键合线脱落,在外部特性上表现为导通压降值增大。根据以上分析研究,文章提出了针对此类问题的在线评估方法和相应的设备维保建议,对于提高辅助逆变器和车辆的运营效率以及节约设备维保的经济成本和时间成本方面具有借鉴意义。关键词:跨座式单轨车辆;辅助逆变器;I G B T模块;失效机理;维保建议中图分类号:U 2 7 0.3 8+1 文献标志码:B d o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 2-7 6 0 2.2 0 2 3.0 4.0 2 8收稿日期:2
3、0 2 2-1 2-1 2;修回日期:2 0 2 3-0 4-1 4第一作者:李仁彬(1 9 9 1),女,工程师。通信作者:郭世成(1 9 8 5),男,高级工程师。F a i l u r e A n a l y s i s o f I G B T M o d u l e f o r A u x i l i a r y I n v e r t e r o f S t r a d d l e M o n o r a i l V e h i c l e s L I R e n b i n,GUO S h i c h e n g,X I E S h u a n g,L I U Y u n f e
4、i,GAN W e n j i a n g,X I AO Y u(O v e r h a u l C o m p a n y,C h o n g q i n g R a i l T r a f f i c(G r o u p)C o.,L t d.,C h o n g q i n g 4 0 1 1 2 0,C h i n a)A b s t r a c t:A s a n i m p o r t a n t p a r t o f s t r a d d l e m o n o r a i l v e h i c l e,t h e a u x i l i a r y p o w e r s
5、 y s t e m m a i n l y c o n v e r t s d i r e c t c u r r e n t i n t o a l t e r n a t i n g c u r r e n t t o p o w e r v e h i c l e e q u i p m e n t b y c o n t r o l l i n g t h e o p e n i n g a n d c l o s i n g s e q u e n c e o f a u x i l i a r y i n v e r t e r s w i t c h i n g c o m p
6、 o n e n t I G B T.T h i s p a p e r t a k e s 8 4 v e h i c l e s o f C h o n g q i n g T r a n s i t L i n e 2 a s t h e r e s e a r c h o b j e c t,m a i n l y f o c u s e s o n t h e s t a t i s t i c s a n d r e s e a r c h o f f a i l u r e f o r m s o f I G B T m o d u l e o f a u x i l i a r
7、 y c o v e r t e r f o r s t r a d d l e m o n o r a i l v e h i c l e a f t e r l o n g-t e r m o p e r a t i o n,a n d p r o p o s e s t a r g e t e d s o l u t i o n s a n d e q u i p m e n t m a i n t e n a n c e s u g g e s t i o n s i n c o m b i n a t i o n w i t h t h e f a i l u r e p h e n
8、 o m e n o n a n d o p e r a t i n g e n v i r o n m e n t.T h r o u g h t h e a n a l y s i s o f I G B T f a i l u r e m e c h a n i s m a n d c h a r a c t e r i s t i c i n d e x e s,i t i s f o u n d t h a t t h e m a i n f a i l u r e f o r m o f I G B T m o d u l e o f a u x i l i a r y c o n
9、 v e r t e r f o r s t r a d d l e m o n o r a i l v e h i c l e i s p a c k a g i n g l e v e l f a i l u r e,t h a t i s,t h e d e t a c h m e n t o f t h e b o n d i n g w i r e,w h i c h i s m a n i f e s t e d a s a n i n c r e a s e i n t h e c o n d u c t i o n v o l t a g e d r o p v a l u e
10、.B a s e d o n t h e a b o v e a n a l y s i s a n d r e s e a r c h,t h e p a p e r p r o p o s e s a n o n l i n e a s s e s s m e n t m e t h o d f o r s u c h p r o b l e m s a n d c o r r e s p o n d i n g e q u i p m e n t m a i n t e n a n c e r e c o mm e n d a t i o n s,w h i c h a r e u s
11、e f u l f o r i m p r o v i n g t h e o p e r a t i o n a l e f f i c i e n c y o f a u x i l i a r y i n v e r t e r s a n d v e h i c l e s a s w e l l a s s a v i n g t h e e c o n o m i c a n d t i m e c o s t s o f e q u i p m e n t m a i n t e n a n c e.K e y w o r d s:s t r a d d l e m o n o
12、r a i l v e h i c l e,a u x i l i a r y i n v e r t e r;I G B T m o d u l e;f a i l u r e m e c h a n i s m;m a i n t e n a n c e r e c o mm e n d a t i o n 重庆是我国最早采用跨座式单轨的城市1,为充分适应地势高度差大、道路曲折的山地特点,同时降低投资成本和建设周期,跨座式单轨线路的站点设置多采用高架站形式。但相对于行驶于隧道中的地铁车辆,重庆夏季显著的高温高湿特征2对驰骋室外的跨座式单轨车辆设备的可靠性提出了更大的考验。辅助741 运用与
13、检修铁道车辆 第6 1卷第4期2 0 2 3年8月 电源系统作为跨座式单轨车辆上的重要组成部分,可以将从接触网获得的1 5 0 0 V直流电转化为3 8 0 V交流电和1 1 0 V低压直流电,为空调、空压机等交流辅助负载及监控、照明、车门等直流辅助负载供电。因此,辅助电源系统的设备状态对车辆可靠性和运营安全性有着直接影响。辅助电源系统包括辅助逆变器(S I V)、扩展供电装置、蓄电池和蓄电池控制四部分。辅助逆变器的主电路由预充电电路、输入滤波电路、逆变电路、A C滤波电路和整流电路构成,其电气原理如图1所示。以重庆轨道2号线8 4辆车为例,辅助逆变器设备布局如图2所示。图1 辅助逆变器电气原
14、理图图2 辅助逆变器设备布置图和地铁车辆类似,单轨车辆辅助逆变器的开关器件多采用I G B T(绝缘栅双极型晶体管)模块构成。相比G T R(大功率晶体管)和MO S F E T(绝缘栅型场效应管),I G B T集二者之长,具有驱动功率小、导通压降低的优点。但是I G B T在高压下存在内阻和导通损耗大、抗干扰和抗冲击能力较弱以及易过压过热等问题。针对I G B T的 开 关 控 制,目 前 单 轨 车 辆 广 泛 采 用PWM脉宽调制技术。通过控制I G B T开关组合顺序,使逆变器输出正弦调制波,实现调节输出电压幅值与频率的目的。基于以上I G B T的特点,驱动电路设计不合理、控制软件
15、失效、I G B T模块选型错误、人员操作不当等因素均会造成单轨车辆辅助逆变器I G B T模块失效甚至损坏。而此类模块突发性损坏将给辅助逆变器甚至整车的正线运营带来不小的隐患以及负面影响。因此,轨道交通企业愈发关注辅助逆变器I G B T模块的失效问题以及其可靠性研究。841铁道车辆 第6 1卷第4期2 0 2 3年8月 1 I G B T模块失效机理及现象分析1.1 历史故障情况分析重庆轨道2号线8 4辆车于2 0 0 5年陆续投入运营,服役1 7年间历经3次重检、2次全检。对辅助电源系统的检修主要包含蓄电池、I G B T模块、S I V风扇、逻辑部电池的计划性更换及其他部件的试验检测。
16、辅助电源系统的故障类型分为电气元件功能性失效、机械部件劣化损坏和人为原 因三部分,近3年(2 0 2 02 0 2 2年)的故障数据统计如表1、表2所示。其中,仅辅助逆变器(S I V)I G B T模块击穿一项,占比超5 0%。表1 辅助电源系统设备故障统计(2 0 2 02 0 2 2年)设备S I V蓄电池箱高压线箱主隔离箱总计故障原因及次数频次小计I G B T模块击穿(2 1次)逻辑部板卡故障(3次)连接器坏(1次)风扇不转(1次)2 6接线腐蚀(3次)接触器坏(3次)三角锁坏(2次)手柄卡滞(1次)绝缘胶泥脱落(1次)缺水(1次)1 1绝缘胶泥脱落(2次)2绝缘胶泥脱落(1次)14
17、 0次频次占比/%6 52 7.552.51 0 0表2 辅助电源系统设备故障现象分析(2 0 2 02 0 2 2年)故障类型故障次数故障占比/%人为原因 缺水12.5机械部件劣化损坏手柄卡滞三角锁坏接线腐蚀绝缘胶泥脱落12342 5.0电气元件功能性失效接触器坏连接器坏逻辑部板卡故障风扇不转I G B T模块击穿31312 17 2.5 目前,重庆轨道2号线8 4辆车上搭载的I G B T模块型号为三菱CM 4 0 0 D Y-6 6 H,于2 0 1 62 0 2 0年陆续装车(2 0 1 2年生产批次8 0块,2 0 1 9年生产批次4 8块)使用。运营车辆I G B T模块失效时,监
18、控显示“S I V S V-F”(门工作不正常)故障,但网压及设备温度未见异常(接触网压1 5 8 0.8 V,I G B T模块温度8 9.1),监控数据如图3所示。参照近3年故障统计(图4),击穿相位分布无明显 指 向 性(U相2 8.5 7%、V相3 8.1 0%、W相3 3.3 3%),但多发生于68月(占比超9 0%)。拆开故障I G B T模块封装后,均见单相下桥臂集电极(C 2)键合线烧损,断线率为5 0%左右,如图5所示。图3 I G B T模块故障时刻监控数据图4 I G B T模块击穿故障统计(2 0 2 02 0 2 2年)图5 故障I G B T模块键合线烧损情况941
19、 跨座式单轨车辆辅助逆变器I G B T模块失效分析 李仁彬,郭世成,谢 双,刘云飞,甘文江,肖 瑜1.2 I G B T模块失效机理及特征指标在运行工况、应用电路以及疲劳积累等内外因素的长期综合作用下,I G B T模块会逐渐发生失效,主要的失效机理如图6所示。总体而言,其失效问题涉及热、电、力等多重因素,根据失效位置不同,可分为芯片级失效和封装级失效两种。在后者中,键合线脱落与焊料层疲劳最为常见3。图6 I G B T模块失效机理图根据1.1节的历史故障情况分析,单轨车辅助逆变器I G B T模块故障多为封装级失效,而目前普遍认为热疲劳是导致其失效的主要原因。封装级失效作为渐变性失效的一种
20、,在很大程度上影响着 I G B T模块的寿命及可靠性。在辅助逆变器工作时,I G B T模块(图7)4受过高电应力和热应力的共同冲击。由于I G B T模块频繁开断,其内部器件承受频繁温度波动。由于外部封装与内部芯片的热膨胀系数不同,在键合线与硅芯片、硅芯片与焊料层之间的材料交界处会产生不同程度的热应力(图8)5。1.二极管芯片;2.焊料层;3.陶瓷基板;4.焊料层;5.导热硅脂;6.铝键合线;7.I G B T芯片;8.D B C上铜层;9.D B C下铜层;1 0.铜基板;1 1.散热片。图7 I G B T模块结构图4图8 I G B T模块失效位置图随着温度循环次数增加,键合处及焊料
21、层的边角位置因承受较大热应力而出现剥离现象。严重时,将导致键合线脱落和焊料层空洞、分层,如图9、图1 0所示6。图9 键合线失效结构图图1 0 焊料层疲劳结构图I G B T模块的老化失效问题是一个较为复杂的过程,仍处于不断研究试验阶段。试验发现,在失效过程051铁道车辆 第6 1卷第4期2 0 2 3年8月 中,平均结温和温度梯度在3 05 0 时,I G B T模块的主要失效形式为焊料层失效,外部特性上表现为热阻Rt h增大。当平均结温和温度梯度在6 0 以上时,I G B T模块主要失效形式是键合线脱落与融化7。鉴于单轨车辅助逆变器I G B T模块故障多发于夏季,检测温度均在6 5 以
22、上,因此主要研究键合线脱落与融化造成的I G B T模块失效。当键合线出现失效时,会影响I G B T模块内部的等效电阻值3,如图1 1所示。图中R代表每根键合线等效电阻,I G B T模块键合线等效电阻Re q可表示如下:Re q=Rn(1)式中:n为并联根数。图1 1 键合线老化前后的I G B T模块等效电路若I G B T模块中键合线脱落2根,则其整体等效电阻如下:Re q=Rn-2(2)由于I G B T模块处理的电流等级较高,为提高模块可靠性,键合线常选取数根并联的方式。若单根脱落,则同一模块中剩余键合线的导通电流将大幅提升。I G B T模块在导通状态下的结构图和等效电路图如图1
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