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近年來，中國城市軌道交通發(fā)展迅速，隨著城市軌道交通運營里程的增加，列車各部件的故障率也隨之增加。作為城軌車輛的關鍵子系統(tǒng)，牽引變流器的可靠性直接影響列車運行的安全性和穩(wěn)定性。因此，必須確保牽引變流器能夠長時間無故障運行。根據(jù)工業(yè)調查，絕緣柵雙極性晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）是電力電子變換器中最易受損的器件。因此，研究牽引變流器中IGBT模塊的可靠性具有重要意義。

可靠性是指功率器件能夠長時間無故障運行的能力。過去，大多數(shù)電力電子器件的可靠性信息是從失效產(chǎn)品的統(tǒng)計數(shù)據(jù)中獲得的。 通過上述可靠性信息，構建了基于經(jīng)驗的數(shù)據(jù)手冊，例如，Military- Handbook-217F，并以此作為預測電力電子變換器壽命的基礎。

這種壽命預測的方法均是基于假設——器件的故障率是恒定的指數(shù)分布。由于該方法無法反映運行工況對器件壽命的影響，因此是不準確的，并且其無法反映IGBT具體的失效原因和失效機理。實際上，IGBT模塊的運行狀態(tài)取決于牽引電機的輸出功率，這會在很大程度上影響IGBT模塊的失效率。

近年來，主要有兩種方法應用于IGBT的壽命預測：一種是基于IGBT的端部特性，即采用VCE_ON、VGE、IC、TON/TOFF等電氣參數(shù)進行IGBT的壽命預測；另一種是基于任務剖面的方法，即根據(jù)IGBT的運行狀態(tài)計算IGBT承受的應力，從而預測IGBT的壽命，此方法考慮了IGBT應用的電路拓撲和工作條件。前一種方法需要大量高精度傳感器來測量可以反映IGBT退化狀態(tài)的電氣參數(shù)，其應用于城軌車輛牽引變流器是不實際的。

目前，由于大多數(shù)風力發(fā)電機是無人值守的，因此，在風力發(fā)電系統(tǒng)中，基于任務剖面的IGBT壽命預測得到了廣泛的研究。此外，風電變換器的檢查和維護成本很高，尤其是隨著海上風電的興起。因此，有必要確保風力發(fā)電變換器可以在規(guī)定的時間內(nèi)無故障運行。

有學者提出了基于任務剖面的風力發(fā)電機IGBT模塊壽命預測方法。通過該方法，使變換器的應用條件與可靠性性能緊密結合，從而更準確地評估和預測IGBT的壽命。有學者為了解決現(xiàn)有模型在一定時間范圍內(nèi)受限制的問題，根據(jù)電力電子變換器的負載行為提出了多時間尺度建模，包括電路級、系統(tǒng)級和環(huán)境級建模，從而能夠比較完整地映射出IGBT的負載信息，有助于更準確、更快速地預測IGBT的壽命。

基于任務剖面的IGBT壽命預測已經(jīng)廣泛應用于風力發(fā)電系統(tǒng)，該應用場景下IGBT的熱應力隨風速和環(huán)境溫度的變化而隨機變化。對于城軌車輛牽引變流器中的IGBT模塊，熱應力通常是周期性的。因此，多時間尺度建模方法在牽引變流器IGBT壽命預測中的應用意義并不明顯。

在牽引變流器中，IGBT壽命預測的關鍵是準確度，從而可以為牽引變流器的設計、運行和維護提供指導。有學者將VCE_ON的初始值增加5%作為壽命終止（End of Life, EOL）的標準，然后驗證了基于任務剖面的IGBT壽命預測的準確性。

基于任務剖面的IGBT壽命預測可應用于牽引變流器的設計和運行階段。在設計階段，通過預測IGBT的使用壽命來確定其是否滿足可靠性要求。在運行階段，計算出IGBT的累積損傷程度和預期使用壽命，可以指導牽引變流器的維修和更換。此外，可以優(yōu)化車輛在具體線路上的運行控制方式，從而延長IGBT模塊的使用壽命，提高牽引變流器的可靠性和可用性。

北京交通大學電氣工程學院的研究人員將基于任務剖面的IGBT壽命預測方法應用于城軌車輛牽引變流器。該方法將IGBT的可靠性性能評估與實際運行條件相結合，從而為變流器的設計和控制優(yōu)化提供基礎。

圖1 牽引變流器IGBT模塊壽命預測

他們分析了牽引變流器控制方法對IGBT壽命的影響。通過仿真比較了不同運行區(qū)間下IGBT的功率損耗和穩(wěn)態(tài)結溫。在恒轉矩區(qū)，IGBT的導通損耗Pcond隨著電機轉速的增大而增大，而在方波區(qū)，導通損耗Pcond則減小。開關損耗Psw在恒轉矩區(qū)下變化不大，在方波區(qū)隨著電機轉速的增大而增大。與恒轉矩區(qū)相比，方波區(qū)的開關損耗Psw更低。

研究人員設計了以可靠性為導向的牽引變流器控制策略。對于牽引變流器，有三種主動熱控制方法可以實現(xiàn)可靠性導向的控制。其中，系統(tǒng)控制級的ATC是相對較好的實現(xiàn)方法，它是根據(jù)線路條件優(yōu)化運行曲線得到的。本研究采用遺傳算法優(yōu)化得到了運行曲線，從而延長了IGBT的使用壽命。

本文編自2021年《電工技術學報》增刊2，論文標題為“可靠性導向的城軌車輛牽引變流器控制策略”，作者為林帥、方曉春 等。