学术简报｜城轨牵引变流器功率开关器件的双向加速老化测试与在线损伤预测
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北京交通大学电气工程学院的研究人员王磊、李兵、董超跃、徐春梅、邱瑞昌，在2019年《电工技术学报》增刊1上撰文，围绕轨道交通牵引变流器内主回路功率器件的老化规律测试及其损伤评估方面开展研究。首先，针对既有开关器件的寿命模型无法反映续流二极管（FWD）对功率开关器件总体老化水平的加速效应这一问题，提出采用基于双向老化测试电流的老化试验方法，并在双向老化测试的结果分析过程中，提出带加权的修正最小二乘法以提高老化结果的数学拟合精度的解决方案，从而基于实验数据得到了对应的加速效应表达因子。
提出功率开关器件中IGBT与FWD的电流重构方法，同时也给出了考虑电流传感器容错条件下的电流重构表达式，进而基于在线等效老化电流的辨识过程实现功率开关器件的在线老化水平评估，最终通过二阶灰色模型实现了功率开关器件的损伤预测。
轨道交通系统作为大中型城市公共交通出行的重要方式，以其载客量大、不受交通拥堵影响的优点日益得到广泛采用。城市轨道交通系统的主要组成部分中，轨道交通列车作为载运工具起着至关重要的作用，而其中的列车牵引变流器为列车运行提供牵引力或电制动力，其运行可靠性、使用寿命直接影响整个列车的总体水平。
目前业内对大功率牵引变流器内功率开关器件的老化评估方面单纯围绕其中的IGBT展开研究。而IGBT器件老化状态监测、故障率和寿命预测目前存在诸多问题。
一方面，当前的IGBT老化试验仅采用基于单向老化电流的测试方法，这种方法仅能够反映IGBT的老化规律而无法反映续流二极管（Free Wheeling Diode, FWD）的老化水平，因而所建立的老化模型误差大。此外，状态评估手段无法应用于大功率IGBT的在线老化评估，而且均为离线评估。目前的方法大多通过IGBT的结温敏感参数的变化情况间接评估IGBT的老化水平，如米勒平台持续时间、米勒电容、热阻、饱和压降等。这些热敏参数或是无法直接测量，或是不被当前的主流驱动板卡支持。
另一方面，有研究仅着眼于如何再现IGBT的老化规律，但是关于相关老化规律如何应用于城轨交通这种负荷多变的环境下却无案例可以借鉴。
基于上述原因，本文提出一种基于双向老化电流的功率开关器件老化规律测试方法，基于功率开关器件在不同老化电流下的老化试验结果建立老化规律的数学拟合模型，继而根据牵引变流器控制策略与主回路拓扑建立等效老化电流的在线重构模型，结合老化试验的结果实现损伤程度的在线评估，同时凭借灰色模型对损伤这一双指数过程的精确拟合能力实现功率开关器件损伤水平的预测。
图1 城轨牵引变流器功率回路拓扑
图4 基于双向测试电流的加速老化试验平台
本文围绕城市轨道交通列车牵引变流器中的高压大功率开关器件的老化状态评估与长效寿命预测方面开展研究。首先提出了一种基于双向老化测试电流的加速老化试验方式，研究FWD对整个开关器件老化情况的加速效应，继而建立了开关器件与老化电流、环境温度间的拟合模型。
在电流传感器正常以及故障条件下，提出了开关器件内IGBT、FWD的电流解析观测模型，并结合加速实验中得到的加速因子给出了开关器件等效老化电流的在线观测方法。以累积损伤度构造功率开关器件寿命预测模型的输入序列，通过GM(2,1)预测模型拟合器件在实际工况下的损伤度累积情况，最终实现长效使用寿命的预测。