軌道交通系統(tǒng)作為大中型城市公共交通出行的重要方式，以其載客量大、不受交通擁堵影響的優(yōu)點日益得到廣泛采用。城市軌道交通系統(tǒng)的主要組成部分中，軌道交通列車作為載運工具起著至關(guān)重要的作用，而其中的列車牽引變流器為列車運行提供牽引力或電制動力，其運行可靠性、使用壽命直接影響整個列車的總體水平。

目前業(yè)內(nèi)對大功率牽引變流器內(nèi)功率開關(guān)器件的老化評估方面單純圍繞其中的IGBT展開研究。而IGBT器件老化狀態(tài)監(jiān)測、故障率和壽命預(yù)測目前存在諸多問題。

一方面，當(dāng)前的IGBT老化試驗僅采用基于單向老化電流的測試方法，這種方法僅能夠反映IGBT的老化規(guī)律而無法反映續(xù)流二極管（Free Wheeling Diode, FWD）的老化水平，因而所建立的老化模型誤差大。此外，狀態(tài)評估手段無法應(yīng)用于大功率IGBT的在線老化評估，而且均為離線評估。目前的方法大多通過IGBT的結(jié)溫敏感參數(shù)的變化情況間接評估IGBT的老化水平，如米勒平臺持續(xù)時間、米勒電容、熱阻、飽和壓降等。這些熱敏參數(shù)或是無法直接測量，或是不被當(dāng)前的主流驅(qū)動板卡支持。

另一方面，有研究僅著眼于如何再現(xiàn)IGBT的老化規(guī)律，但是關(guān)于相關(guān)老化規(guī)律如何應(yīng)用于城軌交通這種負荷多變的環(huán)境下卻無案例可以借鑒。

基于上述原因，本文提出一種基于雙向老化電流的功率開關(guān)器件老化規(guī)律測試方法，基于功率開關(guān)器件在不同老化電流下的老化試驗結(jié)果建立老化規(guī)律的數(shù)學(xué)擬合模型，繼而根據(jù)牽引變流器控制策略與主回路拓撲建立等效老化電流的在線重構(gòu)模型，結(jié)合老化試驗的結(jié)果實現(xiàn)損傷程度的在線評估，同時憑借灰色模型對損傷這一雙指數(shù)過程的精確擬合能力實現(xiàn)功率開關(guān)器件損傷水平的預(yù)測。

圖1 城軌牽引變流器功率回路拓撲

圖4 基于雙向測試電流的加速老化試驗平臺

總結(jié)

本文圍繞城市軌道交通列車牽引變流器中的高壓大功率開關(guān)器件的老化狀態(tài)評估與長效壽命預(yù)測方面開展研究。首先提出了一種基于雙向老化測試電流的加速老化試驗方式，研究FWD對整個開關(guān)器件老化情況的加速效應(yīng)，繼而建立了開關(guān)器件與老化電流、環(huán)境溫度間的擬合模型。

在電流傳感器正常以及故障條件下，提出了開關(guān)器件內(nèi)IGBT、FWD的電流解析觀測模型，并結(jié)合加速實驗中得到的加速因子給出了開關(guān)器件等效老化電流的在線觀測方法。以累積損傷度構(gòu)造功率開關(guān)器件壽命預(yù)測模型的輸入序列，通過GM(2,1)預(yù)測模型擬合器件在實際工況下的損傷度累積情況，最終實現(xiàn)長效使用壽命的預(yù)測。