項(xiàng)目簡(jiǎn)述

目前高速列車主變流器上應(yīng)用的主要為3300V、6500V等高電壓等級(jí)的IGBT。鐵路牽引領(lǐng)域的變流器屬于非平穩(wěn)工況變流器，而IGBT的處理功率經(jīng)常大范圍波動(dòng)，并且工作時(shí)所承受的交變熱應(yīng)力沖擊極易導(dǎo)致疲勞，甚至老化失效，這些特點(diǎn)使得其應(yīng)用條件更加嚴(yán)酷。因此，獲取有效的監(jiān)測(cè)參數(shù)評(píng)估功率器件的工作狀態(tài)，并建立有效的功率器件退化模型預(yù)測(cè)剩余壽命，對(duì)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)建立更好維護(hù)時(shí)間表和確定合理的檢修周期具有重要的指導(dǎo)和借鑒意義，這也是保證列車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。本項(xiàng)目在這樣的背景下，考慮牽引傳動(dòng)系統(tǒng)大功率、低開(kāi)關(guān)頻率、強(qiáng)耦合干擾、運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜多變等特點(diǎn)，對(duì)功率器件的電熱參數(shù)進(jìn)行建模分析，獲取結(jié)溫變化曲線，對(duì)比不同壽命模型獲取與實(shí)際壽命相近的壽命評(píng)估結(jié)果。進(jìn)一步地，通過(guò)控制和調(diào)制方式對(duì)比分析出器件壽命影響主要因素，初步得到牽引變流器的健康管理方案，為現(xiàn)場(chǎng)牽引變流器系統(tǒng)的維修管理提供一定的技術(shù)指導(dǎo)。

項(xiàng)目?jī)?nèi)容

變流器工作時(shí)的環(huán)境溫度、負(fù)載水平、運(yùn)行工況、控制方法等都會(huì)對(duì)變流器的功率模塊壽命產(chǎn)生影響。在考慮長(zhǎng)時(shí)間尺度下的工作剖面和較短時(shí)間內(nèi)的外部環(huán)境變化影響條件下，推導(dǎo)出其運(yùn)行功率變化狀況。

高速動(dòng)車組牽引計(jì)算建模：某型動(dòng)車組為4動(dòng)4拖8輛編組，采用電力牽引交流傳動(dòng)方式，牽引功率為8800kW，由2個(gè)牽引單元組成，每個(gè)牽引單元按兩動(dòng)車（有動(dòng)力）兩拖車（無(wú)動(dòng)力）構(gòu)成。如圖2-1所示，其中Mc為帶駕駛室的動(dòng)車，Tp為帶受電弓的拖車，M為動(dòng)車，T為拖車，整列編組全長(zhǎng)200m。對(duì)于整列車的牽引計(jì)算，常用的列車計(jì)算力學(xué)模型有單質(zhì)點(diǎn)模型和多質(zhì)點(diǎn)模型。目前，潮流計(jì)算以及牽引計(jì)算的工程應(yīng)用上，大多將動(dòng)車組視為單質(zhì)點(diǎn)負(fù)荷，本項(xiàng)目也選擇單質(zhì)點(diǎn)負(fù)荷來(lái)分析。

圖2-1  4動(dòng)4拖動(dòng)車組示意圖

列車旋轉(zhuǎn)部分對(duì)應(yīng)的質(zhì)量與列車總質(zhì)量的比例系數(shù)，由動(dòng)能定律推導(dǎo)：

回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)γ由旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J、列車靜態(tài)總質(zhì)量Ms以及旋轉(zhuǎn)部件的等效的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑Rh決定。對(duì)于高速動(dòng)車組，一般動(dòng)車的回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)大于拖車。

這樣，列車的動(dòng)態(tài)質(zhì)量可以表示為：

其中Mdynamic為列車動(dòng)態(tài)質(zhì)量，單位為t。γT為拖車回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)，γD為動(dòng)車回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)。MT為拖車空載質(zhì)量，MD為動(dòng)車空載質(zhì)量。nT為拖車數(shù)量，nD為動(dòng)車數(shù)量。為了工程實(shí)用方便，統(tǒng)一將高速動(dòng)車組的回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)取為0.1，以簡(jiǎn)化計(jì)算。

高速動(dòng)車組阻力計(jì)算：列車阻力，即列車運(yùn)行時(shí)阻礙運(yùn)行的外力，包括基本阻力和附加阻力兩類。前者指的是列車運(yùn)行中的空氣阻力、車輪與鋼軌之間相互作用帶來(lái)的阻力。后者指的是坡道、線路曲線和隧道帶來(lái)的額外阻力，研究中通常針對(duì)不同編組和車型根據(jù)大量牽引試驗(yàn)對(duì)列車運(yùn)行基本阻力采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行擬合。

式中Wbasic為列車運(yùn)行基本阻力，單位為N；a0、a1、a2是與阻力相關(guān)的系數(shù)；Wstatic為列車的靜態(tài)質(zhì)量；g為重力加速度。

對(duì)于本文所選高速列車，基本阻力的經(jīng)驗(yàn)公式為：

其中Wbasic(v)為單位基本阻力，單位質(zhì)量的列車受到的阻力。

附加阻力，即線路或隧道等原因產(chǎn)生的阻力，通常有坡道附加阻力、曲線附加阻力和隧道附加阻力等。這里將他們?nèi)�部歸算到線路坡道上，以坡道附加阻力代表系統(tǒng)附加阻力：

基本阻力與附加阻力之和為列車在運(yùn)行時(shí)的總阻力，也就是牽引系統(tǒng)的負(fù)荷。由此，根據(jù)運(yùn)行基本阻力及車輛加速度、軌道坡度等信息可計(jì)算車輛運(yùn)行阻力，計(jì)算出牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的功率數(shù)據(jù)。

牽引傳動(dòng)系統(tǒng)損耗計(jì)算：牽引傳動(dòng)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換及傳通路徑如圖2-2，黑色箭頭代表列車牽引運(yùn)行中能量轉(zhuǎn)換以及傳遞途徑，紅色箭頭代表制動(dòng)運(yùn)行中能量轉(zhuǎn)換以及傳遞途徑。功率因數(shù)和效率直接受到列車運(yùn)行速度的影響，和列車運(yùn)行工況密不可分，尤其是低速運(yùn)行時(shí)效率較低，無(wú)法通過(guò)精確的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述，所以在系統(tǒng)功率損耗計(jì)算時(shí)，假設(shè)功率因數(shù)和效率為常數(shù)。所選動(dòng)車組的額定輸出功率為8800kW，共有兩個(gè)牽引單元，8個(gè)脈沖整流器(recitifer)，4個(gè)牽引逆變器(inverter)。另外每節(jié)列車還配有一臺(tái)輔助逆變器(aux)，額定功率為51kW。

根據(jù)動(dòng)車組的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，有：

通過(guò)損耗計(jì)算，得到牽引逆變器和脈沖整流器上的負(fù)載功率情況。

圖2-2  牽引傳動(dòng)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換及傳遞路徑示意圖

圖2-3  牽引傳動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載功率

重點(diǎn)基于牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的特定拓?fù)浜颓懊娴贸龅母鱾�(gè)工作狀況，對(duì)功率器件的溫度變化情況進(jìn)行分析，主要研究溫升對(duì)變流器功率器件壽命的影響，得出功率器件的壽命估計(jì)。并利用Matlab/Simulink和PLECS等軟件對(duì)理論分析結(jié)果進(jìn)行仿真驗(yàn)證。根據(jù)不同的工況剖面對(duì)溫升造成的影響，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)手段對(duì)牽引變流器的壽命進(jìn)行評(píng)估，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際壽命統(tǒng)計(jì)作對(duì)比，分析其中存在的差異。

（1）功率器件損耗計(jì)算：變流系統(tǒng)中的各器件損耗是指器件吸收的電能。IGBT的功率損耗按照分類可以分為靜態(tài)損耗，開(kāi)關(guān)損耗和驅(qū)動(dòng)損耗。其中靜態(tài)損耗包括了導(dǎo)通損耗和截止損耗，即斷電后的漏電損耗，開(kāi)關(guān)損耗則包括了開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗。在大功率的牽引變流器里，靜態(tài)損耗中的漏電損耗和驅(qū)動(dòng)損耗一般只會(huì)占到總損耗的0.1%以下，這通常在計(jì)算中都忽略不計(jì)。而對(duì)IGBT模塊的損耗計(jì)算來(lái)說(shuō)，由于IGBT模塊中還有反并聯(lián)二極管，因此需要同時(shí)考慮到兩部分損耗，IGBT 的損耗以及反并聯(lián)二極管的損耗。

IGBT的功率損耗為其導(dǎo)通損耗PfwT與開(kāi)關(guān)損耗PonT、PoffT之和：

反并聯(lián)二極管的功率損耗為其導(dǎo)通損耗PfwD與關(guān)斷損耗PfwD之和：

圖2-4  PLECS中IGBT模塊損耗對(duì)應(yīng)三維圖

（2）功率器件的熱路分析：在實(shí)際應(yīng)用中，牽引變流器中IGBT通常是封裝起來(lái)的，沒(méi)有辦法進(jìn)行實(shí)時(shí)外殼溫度測(cè)量，因此需要考慮通過(guò)別的手段間接推算器件的溫升情況。目前變流器的溫升計(jì)算主要有以下三種方法：解析法、數(shù)值法和等效熱路法。在等效熱路法中，封裝的半導(dǎo)體器件可以看作由芯片、焊層、外殼等成份組成的串聯(lián)熱阻、熱容，再加上散熱系統(tǒng)的等效熱阻、熱容，形成熱網(wǎng)絡(luò)，熱源為芯片運(yùn)行產(chǎn)生的熱損耗，可以視為電流源。熱損耗通過(guò)熱網(wǎng)絡(luò)向外部環(huán)境傳導(dǎo)的過(guò)程，就可以用電路描述出來(lái)，利用電路知識(shí)來(lái)求解熱平衡方程，計(jì)算變流器系統(tǒng)各部分的溫升，本文即采用該方法。

在IGBT模塊中，根據(jù)IGBT生產(chǎn)廠家的官方手冊(cè)，可以得到IGBT熱網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。目前，高速列車牽引變流器大部分使用水冷散熱器，其熱網(wǎng)絡(luò)可以用RC熱路來(lái)等效。由于散熱器與冷卻系統(tǒng)直接接觸，而列車外部環(huán)境溫度變化較大，可以不考慮散熱器的冷卻系統(tǒng)，直接將牽引箱的水溫作為整個(gè)IGBT熱路模型的環(huán)境溫度。根據(jù)相關(guān)項(xiàng)目提供的線上數(shù)據(jù)，線路上的高速列車組牽引變流器冷卻水箱平均溫度為57°C左右，這樣就取57°C為熱模型仿真的外界溫度。最終可以得到IGBT的熱網(wǎng)絡(luò)等效模型，如圖2-5。其中Zj-c為IGBT和二極管內(nèi)部熱阻，Rc-h是散熱硅脂的等效熱阻，Zh-a是散熱器的等效熱阻。

圖2-5  熱網(wǎng)絡(luò)模型

利用PLECS可以嵌套SIMULINK聯(lián)合仿真的特點(diǎn)，在PLECS中建立上述熱網(wǎng)絡(luò)模型，再嵌套進(jìn)SIMULINK中進(jìn)行熱-電聯(lián)合仿真。仿真時(shí)，IGBT門極輸入導(dǎo)通信號(hào)，模塊導(dǎo)通產(chǎn)生電流，消耗功率，導(dǎo)致結(jié)溫上升。未輸入導(dǎo)通信號(hào)時(shí)模塊經(jīng)過(guò)散熱系統(tǒng)散熱冷卻，結(jié)溫下降。仿真計(jì)算得到結(jié)溫Tj(t)的變化曲線如圖2-6、圖2-7所示。

圖2-6  整流器部分IGBT和二極管結(jié)溫波動(dòng)

圖2-7  逆變器部分IGBT和二極管結(jié)溫波動(dòng)

（3）功率器件熱循環(huán)雨流計(jì)數(shù)：對(duì)于功率器件的循環(huán)載荷，在不規(guī)則負(fù)載情況下，建議使用雨流法來(lái)分析其循環(huán)載荷情況。一個(gè)雨流計(jì)數(shù)法的實(shí)例如圖2-8所示，黑色虛線即為原始的時(shí)間-溫度曲線，x軸為時(shí)間，y軸為基準(zhǔn)溫度差。隨著時(shí)間的進(jìn)行，溫度圍繞基準(zhǔn)溫度產(chǎn)生一定的波動(dòng)，通過(guò)雨流計(jì)數(shù)法對(duì)這條溫度曲線進(jìn)行處理，可以得到1~4共四個(gè)完整的溫度循環(huán)，還有5、6兩個(gè)半循環(huán)。用雨流計(jì)數(shù)法對(duì)結(jié)溫波動(dòng)曲線進(jìn)行處理，統(tǒng)計(jì)其結(jié)溫波動(dòng)，結(jié)果用下面的三維柱狀圖來(lái)表示。如圖2-9和2-10所示，無(wú)論是在整流器還是逆變器中，相對(duì)于IGBT，二極管的波動(dòng)范圍更大。

圖2-8  雨流計(jì)數(shù)法示意圖

圖2-9  整流器部分雨流計(jì)數(shù)結(jié)果

圖2-10  逆變器部分雨流計(jì)數(shù)結(jié)果

（4）不同壽命模型分析對(duì)比：這里主要選擇工程常用的解析模型來(lái)分析IGBT壽命，解析壽命模型基于加速老化壽命試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)建立，包括Coffin-Manson模型、Norris-Landzberg模型、Coffin-Manson-Arrhenius和Coffin-Manson-Arrhenius廣延指數(shù)模型四類。

上世紀(jì)90年代初，LESIT項(xiàng)目通過(guò)加速老化試驗(yàn)建立了Coffin-Manson壽命模型：

該模型定義了ΔTj與失效次數(shù)Nf的指數(shù)函數(shù)形式，其中a和n是模型參數(shù)。該模型僅考慮了溫差ΔTj對(duì)壽命的影響，沒(méi)有考慮平均結(jié)溫Tm的影響。Arrhenuis等人在Coffin-Manson模型的基礎(chǔ)上，考慮了Tm的影響得到下面的模型：

之中Ea為激化能量（J/mol），Tm器件在一個(gè)循中的平均溫度（K）， K為玻爾茲曼常數(shù)（J/K）。

在Coffin-Manson-Arrhenius模型提出后，又有學(xué)者對(duì)其改進(jìn)，提出了Coffin-Manson-Arrhenius廣延指數(shù)模型。該模型增加了β參數(shù)，可以降低Tm影響強(qiáng)度，使數(shù)據(jù)與模型更匹配，該模型如下式所示：

在Coffin-Manson模型的基礎(chǔ)上，又有學(xué)者考慮到循環(huán)頻率f對(duì)器件壽命的影響，改進(jìn)提出了Norris-Landzberg模型：

本文采用了以上四種壽命模型，分別代入雨流計(jì)算的結(jié)果，得出不同壽命模型下整流器中IGBT的壽命消耗，結(jié)果如表2-1所示。

表2-1  某任務(wù)剖面下整流器IGBT模塊年壽命消耗

根據(jù)列車一年365天的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，可以計(jì)算出整流器中IGBT和二極管的預(yù)測(cè)壽命，結(jié)果如表2-2所示。

表2-2  整流器IGBT模塊壽命預(yù)期

實(shí)際中只要IGBT和二極管其中一個(gè)部分損壞即認(rèn)為該IGBT模塊損壞，因此取IGBT和二極管中壽命最短的在值作為IGBT模塊的整體壽命，整流器IGBT模塊的整體預(yù)期壽命在四種模型下分別為27.9年、26.1年、28.8年、23.8年。

同樣的，逆變器中IGBT和二極管的預(yù)測(cè)壽命，如表2-3所示。這樣得出整流器和逆變器在不同模型下的整體壽命如下表2-4所示，列車在這樣的工況下，整流器IGBT模塊的整體預(yù)期壽命在四種模型下的平均值為26.65年，逆變器IGBT模塊的整體預(yù)期壽命在四種模型下的平均值為51.2年。整流器和逆變器在四種模型下的壽命與平均壽命相接近。

表2-3  逆變器IGBT模塊壽命預(yù)期

表2-4  整流器和逆變器在不同壽命模型下的壽命預(yù)期

整流器IGBT模塊的壽命要低于逆變器中的IGBT模塊。為了驗(yàn)證器件壽命評(píng)估結(jié)果的有效性，將IGBT模塊壽命評(píng)估結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行比較。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，該列車運(yùn)行線路在2010年到2016年整流器功率模塊故障次數(shù)46次，逆變器功率模塊故障22次，這與上述壽命結(jié)果規(guī)律相符合。

結(jié) 論

（1）總體來(lái)說(shuō)，脈沖整流器的預(yù)期壽命要低于牽引逆變器

（2）根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，牽引變流器的預(yù)期壽命結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)相似，估計(jì)的使用壽命與實(shí)際功率器件的平均損壞周期數(shù)量級(jí)相同，所以估計(jì)的生命周期被認(rèn)為是有效的；

（3）對(duì)于運(yùn)行中的列車，根據(jù)其運(yùn)行的任務(wù)剖面預(yù)估牽引變流器的使用壽命可以對(duì)高速動(dòng)車組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)建立更好維護(hù)時(shí)間表和確定合理的檢修周期提供了指導(dǎo)和借鑒意義，使得安全維護(hù)有了科學(xué)依據(jù)。

（1）在這種大功率變流器中，主要發(fā)熱來(lái)源是功率器件開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的功率損耗，因此器件的發(fā)熱損耗與開(kāi)關(guān)頻率直接相關(guān)。同樣的負(fù)載水平下，開(kāi)關(guān)頻率越高，發(fā)熱就越劇烈，帶來(lái)的溫度波動(dòng)也就越大。對(duì)于牽引逆變器，反而在高速區(qū)恒速運(yùn)行時(shí)，發(fā)熱較低；

（2）在恒定的開(kāi)關(guān)頻率下，開(kāi)關(guān)損耗與負(fù)載水平直接相關(guān)，溫度變化與功率同步。以脈沖整流器為例，列車運(yùn)行的負(fù)荷越大，它的IGBT模塊整體發(fā)熱水平也就越高。同時(shí)，牽引工況下，脈沖整流器的二極管結(jié)溫更高，再生制動(dòng)工況下，IGBT的發(fā)熱更大，這與電流流通路徑直接相關(guān)；

（3）健康管理方面，可以從功率平滑、內(nèi)部損耗控制和外部溫度調(diào)節(jié)三個(gè)主要方面進(jìn)行溫度平滑調(diào)節(jié)以提高功率器件使用壽命。從開(kāi)關(guān)頻率、矢量作用序列、混合功率控制等角度可實(shí)現(xiàn)功率平滑調(diào)節(jié)；基于內(nèi)部損耗調(diào)節(jié)的熱管理方法，可以通過(guò)調(diào)節(jié)影響內(nèi)部開(kāi)關(guān)損耗的變量，進(jìn)而調(diào)節(jié)IGBT模塊的溫度波動(dòng)，溫度調(diào)節(jié)效果會(huì)較明顯；基于外部散熱的熱管理方法，可以通過(guò)調(diào)節(jié)散熱片風(fēng)速或液體流速等方法調(diào)節(jié)散熱片的溫度，可調(diào)節(jié)低頻溫度波動(dòng)。