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[摘 要]客车车下逆变器在运用过程中，较为常见的故障是CPU主板故障、IGBT故障、驱动板故障，通过对这些故障的原因进行分析，提出了逆变器在进行设计和使用时应注意的一些问题，为运用部门提供参考。
[关键词]逆变器 CPU主板 IGBT 驱动板
中图分类号：TM464 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）06-0207-01
l 问题的提出
随着我国电气化铁路的发展，电气化铁路客车接触网DC600V的供电方式，将逐渐成为我国铁路客车的主要供电方式。客车逆变器是专为DC600V供电客车空调电源研制开发的，采用DC-AC变换技术。逆变器容量：2×35kVA逆变器+10kVA隔离变压器。当某一台逆变器发生故障造成停止输出时，另一台逆变器可通过转换向两路负载供电，以确保客车用电设备的正常工作。逆变器将客车控制柜接入的DC600V电源，通过充电电阻到中间支撑电路再到六只IGBT功率开关器件上。同时接入DC110V电源供给控制回路，经电源模块变压给控制电路CPU和IGBT驱动板提供电源。驱动板向IGBT发送开通/截止脉冲信号，使IGBT在逆变控制电路控制下，按设定程序正确导通与关断。与此同时电压检测电路（各电压传感器），电流检测电路（各电流传感器）把检测到各部分工作状态与控制电路中CPU系统预先设定的工作状态比较之后，决定是否发送正常运行或停机保护命令。同时依据输入电压变化按程序动态调节输出电压，使逆变器输出恒压恒频弦脉宽调制电压，经滤波电感与电容构成的LC滤波电路变换为正弦波（380V 50HZ）供给空调机组使用。而隔离变压器通过星形三角形电路转换，把逆变器提供的三相380V电压变成三相四线制380V电压并输出三组AC220V交流电供负载使用。2×35KVA逆变电源做为空调客车和相应供电制式的客车或动车组的交流电源，它的维护与检修成了目前车辆段日常运用检修的重点和难点。本文通过对运用中DC600V供电客车进行调研，结合逆变器的工作原理，分析探讨客车车下逆变器的常见故障原因。
2 调查情况
为了探讨客车车下逆变器都有哪些常见故障，对沈阳车辆段进行了调查，截至2013年12月19日，沈阳车辆段配属DC600V供电客车802车，按制造厂家分，新誉集团217辆，武汉正远109辆，铁科院75辆，南京华士65辆，南车株州时代集团270辆，武汉江夏32辆，四研电器34辆。截止目前发生车下电源故障149件，主要故障现象为：IGBT过流、散热器过热、母线电压过欠压、输出电压过欠压、输入电容充电故障、接触器故障等。
3 逆变器的常见故障原因分析
通过对沈阳车辆段客车车下逆变器故障情况的调查发现，CPU主板故障、IGBT故障、驱动板故障是造成逆变器失效的主要原因，尤其是主控板故障造成了逆变器无输出、输出过欠压、输出过流是较为常见的现象，针对逆变器的运用状况，结合其作用原理分析以下几个常见故障的产生原因。
3.1 CPU主板故障
CPU主板是逆变器系统的核心，控制着整个系统的逻辑动作与安全保护，根据电压传感器、电流传感器检测的信号来控制各接触器动作与PWM脉冲的发生与否。如在输入电路中，电压传感器将检测到的输入电压传送给CPU主板，当输入电压值介于500—600V时，CPU经比较处理后传出信号通过固态继电器将输入接触器吸合；当电压低于500V或高于600V时，输入接触器断开，同时CPU将输入过压或欠压信号传给控制柜。影响CPU系统可靠安全运行的主要因素主要来自系统内部和外部的各种电气干扰，并受系统结构设计、元器件选择、安装、制造工艺影响，影响CPU系统使用可靠性的因素主要是逆变器所处的工作条件、组装条件、工作环境等，逆变器所处的工作环境中电浪涌现象尤为严重，电浪涌，也称电瞬变，指的是随机地短时间电压电流冲击。
3.2 IGBT故障
由六个大功率IGBT组成的三相桥式逆变电路是逆变器的心脏，另有三个电容对IGBT进行保护。IGBT作为开关元件，具有开关频率高、驱动简单、损耗低的特点。直流600V经此电路逆变为三相三线的380V正弦交流电。IGBT故障将会使逆变器Ⅰ或逆变器Ⅱ无输出，造成客车电气装置无法正常工作。从沈阳车辆段2013年逆变器故障情况调查中发现，IGBT故障主要发生在夏季，出现这种结果的主要是由IGBT的工作特性所决定的。IGBT的开通和关断是由栅极电压来控制的。当在栅极加正向电压时，MOSFET内形成沟道，并为PNP晶体管提供基极电流，进而使IGBT导通。当在栅极上施加反向电压时MOSFET的沟道消除，PNP晶体管和基极电流被切断，IGBT即被关断。造成IGBT损坏的原因一般有：过热损坏集电极、超出关断安全工作区引起擎住效应而损坏、瞬态过电流导致IGBT损坏、过电压造成集电极发射极击穿或造成栅极发射极击穿。对于客车逆变器使用的IGBT模块，所处的工作环境散热条件并不是很好，车下逆变器主电路由于防水防尘的需要，其所在的铁盒是密封的，因此较容易导致散热不良现象发生，增加GBT故障的故障率。在夏季，IGBT模块烧坏的故障率偏高的主要原因是，电流过大引起的瞬时过热，因散热不良导致的持续热均会使IGBT损坏。通常流过IGBT的电流较大，开关频率较高，故器件的损耗较大，若热量不能及时散掉，器件的结温将会超过最大值125℃，实际应用时，一般最高允许的工作温度为125℃左右。因此，夏季逆变器使用中，要特别注意保证逆变器的散热条件。
3.3 驱动板故障
逆变器能否正常工作，关键在于驱动电路，目前，IGBT驱动电路的形式很多，常用
有：直接驱动、电流源驱动、双电源驱动、隔离驱动、集成模块式驱动等。由于集成模块式驱动电路性能更好，整机可靠性更高，体积更小，因此客车车下逆变器采用了集成模块式驱动，很好地解决了IGBT驱动所要考虑的问题。驱动板故障会造成现逆变器出现的故障现象有：逆变器输出过压；三相输出不平衡；输出缺相； IGBT故障；IGBT开关元器件过流保护；二台逆变器均显示00正常，但一台逆变器无输出电压。造成驱动板故障的原因较复杂，只要电路输入端有浪涌脉冲发生的可能，或者输入端的电源不稳定，电路中就会存在高频瞬态的干扰，这都有可能造成驱动板故障。另外，光耦的损坏，电解电容漏液，驱动电路印刷电路板严重损坏，电容容量不足，都会造成驱动信号失常，使机器工作过流。驱动板的工作还会受到周围环境的影响，参数设置的不当，以及不正当的操作，也可能对驱动板造成损坏。因此，逆变器的使用改进过程中，应该选用驱动功率大、有完善保护功能的集成驱动模块，来保证系统的可靠运行。
4 结束语
造成逆变器不能正常工作的原因有很多，除了本文探讨的三种较为常见的故障外，还有一些故障：接触器故障、输入输出板故障、电压检测板故障、散热不良等。本文针对沈阳车辆段在2013年发生次数相对较多的三种故障，分析了逆变器系统中存在的主要干扰源，并重点分析了这些干扰对于用于逆变器中的CPU主板、IGBT、驱动电路会造成的影响；通过这些分析，提出了逆变器在进行设计和使用时应注意的一些问题，为运用部门提供参考。
参考文献
[1] 林渭勋.现代电力电子电路[M].杭州：浙江大学出版社，2002.
[2] 张军，卞清.基于IGBT的逆变器驱动电路设计[J].自动化技术与应用；2011年第30卷第3期.
[关键词]逆变器 CPU主板 IGBT 驱动板
中图分类号：TM464 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）06-0207-01
l 问题的提出
随着我国电气化铁路的发展，电气化铁路客车接触网DC600V的供电方式，将逐渐成为我国铁路客车的主要供电方式。客车逆变器是专为DC600V供电客车空调电源研制开发的，采用DC-AC变换技术。逆变器容量：2×35kVA逆变器+10kVA隔离变压器。当某一台逆变器发生故障造成停止输出时，另一台逆变器可通过转换向两路负载供电，以确保客车用电设备的正常工作。逆变器将客车控制柜接入的DC600V电源，通过充电电阻到中间支撑电路再到六只IGBT功率开关器件上。同时接入DC110V电源供给控制回路，经电源模块变压给控制电路CPU和IGBT驱动板提供电源。驱动板向IGBT发送开通/截止脉冲信号，使IGBT在逆变控制电路控制下，按设定程序正确导通与关断。与此同时电压检测电路（各电压传感器），电流检测电路（各电流传感器）把检测到各部分工作状态与控制电路中CPU系统预先设定的工作状态比较之后，决定是否发送正常运行或停机保护命令。同时依据输入电压变化按程序动态调节输出电压，使逆变器输出恒压恒频弦脉宽调制电压，经滤波电感与电容构成的LC滤波电路变换为正弦波（380V 50HZ）供给空调机组使用。而隔离变压器通过星形三角形电路转换，把逆变器提供的三相380V电压变成三相四线制380V电压并输出三组AC220V交流电供负载使用。2×35KVA逆变电源做为空调客车和相应供电制式的客车或动车组的交流电源，它的维护与检修成了目前车辆段日常运用检修的重点和难点。本文通过对运用中DC600V供电客车进行调研，结合逆变器的工作原理，分析探讨客车车下逆变器的常见故障原因。
2 调查情况
为了探讨客车车下逆变器都有哪些常见故障，对沈阳车辆段进行了调查，截至2013年12月19日，沈阳车辆段配属DC600V供电客车802车，按制造厂家分，新誉集团217辆，武汉正远109辆，铁科院75辆，南京华士65辆，南车株州时代集团270辆，武汉江夏32辆，四研电器34辆。截止目前发生车下电源故障149件，主要故障现象为：IGBT过流、散热器过热、母线电压过欠压、输出电压过欠压、输入电容充电故障、接触器故障等。
3 逆变器的常见故障原因分析
通过对沈阳车辆段客车车下逆变器故障情况的调查发现，CPU主板故障、IGBT故障、驱动板故障是造成逆变器失效的主要原因，尤其是主控板故障造成了逆变器无输出、输出过欠压、输出过流是较为常见的现象，针对逆变器的运用状况，结合其作用原理分析以下几个常见故障的产生原因。
3.1 CPU主板故障
CPU主板是逆变器系统的核心，控制着整个系统的逻辑动作与安全保护，根据电压传感器、电流传感器检测的信号来控制各接触器动作与PWM脉冲的发生与否。如在输入电路中，电压传感器将检测到的输入电压传送给CPU主板，当输入电压值介于500—600V时，CPU经比较处理后传出信号通过固态继电器将输入接触器吸合；当电压低于500V或高于600V时，输入接触器断开，同时CPU将输入过压或欠压信号传给控制柜。影响CPU系统可靠安全运行的主要因素主要来自系统内部和外部的各种电气干扰，并受系统结构设计、元器件选择、安装、制造工艺影响，影响CPU系统使用可靠性的因素主要是逆变器所处的工作条件、组装条件、工作环境等，逆变器所处的工作环境中电浪涌现象尤为严重，电浪涌，也称电瞬变，指的是随机地短时间电压电流冲击。
3.2 IGBT故障
由六个大功率IGBT组成的三相桥式逆变电路是逆变器的心脏，另有三个电容对IGBT进行保护。IGBT作为开关元件，具有开关频率高、驱动简单、损耗低的特点。直流600V经此电路逆变为三相三线的380V正弦交流电。IGBT故障将会使逆变器Ⅰ或逆变器Ⅱ无输出，造成客车电气装置无法正常工作。从沈阳车辆段2013年逆变器故障情况调查中发现，IGBT故障主要发生在夏季，出现这种结果的主要是由IGBT的工作特性所决定的。IGBT的开通和关断是由栅极电压来控制的。当在栅极加正向电压时，MOSFET内形成沟道，并为PNP晶体管提供基极电流，进而使IGBT导通。当在栅极上施加反向电压时MOSFET的沟道消除，PNP晶体管和基极电流被切断，IGBT即被关断。造成IGBT损坏的原因一般有：过热损坏集电极、超出关断安全工作区引起擎住效应而损坏、瞬态过电流导致IGBT损坏、过电压造成集电极发射极击穿或造成栅极发射极击穿。对于客车逆变器使用的IGBT模块，所处的工作环境散热条件并不是很好，车下逆变器主电路由于防水防尘的需要，其所在的铁盒是密封的，因此较容易导致散热不良现象发生，增加GBT故障的故障率。在夏季，IGBT模块烧坏的故障率偏高的主要原因是，电流过大引起的瞬时过热，因散热不良导致的持续热均会使IGBT损坏。通常流过IGBT的电流较大，开关频率较高，故器件的损耗较大，若热量不能及时散掉，器件的结温将会超过最大值125℃，实际应用时，一般最高允许的工作温度为125℃左右。因此，夏季逆变器使用中，要特别注意保证逆变器的散热条件。
3.3 驱动板故障
逆变器能否正常工作，关键在于驱动电路，目前，IGBT驱动电路的形式很多，常用
有：直接驱动、电流源驱动、双电源驱动、隔离驱动、集成模块式驱动等。由于集成模块式驱动电路性能更好，整机可靠性更高，体积更小，因此客车车下逆变器采用了集成模块式驱动，很好地解决了IGBT驱动所要考虑的问题。驱动板故障会造成现逆变器出现的故障现象有：逆变器输出过压；三相输出不平衡；输出缺相； IGBT故障；IGBT开关元器件过流保护；二台逆变器均显示00正常，但一台逆变器无输出电压。造成驱动板故障的原因较复杂，只要电路输入端有浪涌脉冲发生的可能，或者输入端的电源不稳定，电路中就会存在高频瞬态的干扰，这都有可能造成驱动板故障。另外，光耦的损坏，电解电容漏液，驱动电路印刷电路板严重损坏，电容容量不足，都会造成驱动信号失常，使机器工作过流。驱动板的工作还会受到周围环境的影响，参数设置的不当，以及不正当的操作，也可能对驱动板造成损坏。因此，逆变器的使用改进过程中，应该选用驱动功率大、有完善保护功能的集成驱动模块，来保证系统的可靠运行。
4 结束语
造成逆变器不能正常工作的原因有很多，除了本文探讨的三种较为常见的故障外，还有一些故障：接触器故障、输入输出板故障、电压检测板故障、散热不良等。本文针对沈阳车辆段在2013年发生次数相对较多的三种故障，分析了逆变器系统中存在的主要干扰源，并重点分析了这些干扰对于用于逆变器中的CPU主板、IGBT、驱动电路会造成的影响；通过这些分析，提出了逆变器在进行设计和使用时应注意的一些问题，为运用部门提供参考。
参考文献
[1] 林渭勋.现代电力电子电路[M].杭州：浙江大学出版社，2002.
[2] 张军，卞清.基于IGBT的逆变器驱动电路设计[J].自动化技术与应用；2011年第30卷第3期.