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基于IGBT特征分析的地铁车辆逆变器故障研究
一、研究背景
随着城市轨道交通的发展，地铁逆变器作为地铁车辆的核心电力系统逐渐成为研究的热点。逆变器是将直流电能转换成交流电能的重要设备，同时逆变器又具有较高的功率密度、高效率、可靠性等优点，因此被广泛应用于各种工业设备、交通运输等领域。然而，地铁逆变器的故障频繁发生，给地铁运营造成了严重的影响，因此研究地铁逆变器的故障原因和预防措施具有重要意义。
逆变器故障通常与其内部主要组件IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor）有关。IGBT作为逆变器的核心元器件，具有耐高压、耐大电流、工作可靠等特点，在电力传动、换流器和变频控制等广泛应用，但同时又存在IGBT本身内部构成的电感、电容等元器件，以及负载电机的电磁干扰、过电压等问题，这些因素可能会引发IGBT故障。
因此，在地铁车辆逆变器故障研究中，分析IGBT的特征，查找故障的根源，预防故障的发生，具有重要的研究价值。
二、研究内容
（一）IGBT特征分析
IGBT具有以下的特征：
1.电容问题
IGBT内部存在较多电容，会带来以下问题：
（1）在IGBT关断时，内部的pn结和MOS管之间会形成电容，并且在1~2us之后会被分布电感器放出的能量充放电一次，这个过程会由于漏电流引起主体结的电压反向。这种反向电压以及瞬态温度的变化会导致IGBT强制关断，称为“dV/dt失控”。
（2）随着IGBT的使用时间变长，会使得电容效应显著增加。因此，设计者需要将这一因素考虑进预测IGBT电压，防止由于电容效应引起的故障。
2.电感问题
IGBT内部有多个晶体管，而晶体管上下联接后，就会形成电感。
（1）IGBT内部的电感、静电感和分布电容会形成多个谐振频率，因此在端口电路设计中应该避免在谐振频率处使用大电流速度缓慢的二极管，否则会造成逆变器性能损失。
（2）在IGBT通断转换过程中，电感中的储能和释放会对IGBT产生带状的峰值电流，会进一步诱发逆变器的电磁干扰，可靠性也会下降。
（3）IGBT散热不良时，其温度将会升高，会使电感值增加，电感值增加会使IGBT的电流放大效应降低，造成逆变器开关波形的不稳定和IGBT的损坏。
（二）逆变器故障预防
在逆变器的设计中，需要加入以下的措施：
1.优化结构设计，减小内部电阻和电感。
2.加入故障保护电路，如过流保护、过压保护、过温保护、分合闸保护等，可以有效减小逆变器故障的发生概率。
3.加强散热能力，保证逆变器的正常工作温度，避免因温度过高造成IGBT损坏。
4.加强系统集成，可以避免各个模块之间不协调的问题，在保证逆变器系统稳定性的前提下，减少故障发生。
三、结论
地铁车辆逆变器是一个高可靠性和高实时性的系统，在其设计中，需要对其核心元器件IGBT的特征进行分析，并针对这些特征制定适当的预防措施。通过这样的研究，可以有效减少逆变器故障的发生，提高地铁车辆的安全性和可靠性，为地铁交通的发展提供技术保障。