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摘要：本文根据HXD2机车辅助变流系统功率模块驱动单元误报短路保护的故障现象，介绍了HXD2机车辅助系统降压斩波模块主电路和驱动电路的原理并对故障产生的原因进行分析，在理论分析的基础上选择最合适的方案解决故障。
关键词：辅助变流； 降压斩波； 驱动；IGBT
2013年，国产化的HXD2电力机车（俗称新八轴机车）上线运行以来，其辅助变流系统的降压斩波模块多次报斩波门极驱动故障，影响机车正常运行。更换降压斩波模块门极驱动板后并未解决故障现象，中车大同公司组织技术团队在安康机务段，迎水桥机务段等配合下对故障现象进行跟踪测试，故障分析及解决。
1.辅助变流降压斩波模块
1.1 主电路
辅助变流系统由ACU发出控制信号，控制降压斩波模块IGBT的导通与关断，将DC1800V斩成600Hz的脉冲波，再通过中间电路中的平波电抗器和电容器的滤波后，得到稳定的DC545V，为三相辅助逆变器提供电源。
1.2 驱动电路
驱动电路主要用于驱动斩波模块内的开关器件IGBT的导通和关断。同时具有短路保护功能并将故障发送到ACU。
2、故障现象及原因分析
2.1 故障现象
HXD2机车多次发生辅助变流器斩波器门极驱动故障，这些故障具有偶发性，很难故障复现，大多数没有硬件损坏，可以通过司控台“复位”按钮使其复位，但严重时会导致该路辅助系统隔离。根据现场数据统计，该故障现象有3个特点：
（1）故障多出现在过分相前后、主断路器闭合和断开时候、压缩机投入和切除等负载投切的情况下；
（2）一节机车有两组辅助变流回路，作为变频负载回路ACU2的降压斩波模块故障概率较高；
（3）夏季的故障率要大于冬季。
2.2 故障分析
降压斩波功率模块为主牵引四象限变流器与辅助逆变器的中间环节，当某个降压斩波模块报故障而封锁脉冲时会导致该路辅助回路不能工作。
降压斩波功率模块的主电路为典型的BUCK电路，IGBT作为开关器件，续流二极管反并联连接，串联的电感和并联的电容作为低通滤波电路。当IGBT导通时，DC1800V通过IGBT为负载提供能量，同时电感储存能量；当IGBT关断时，电感储存的能量通过二极管向负载提供能量，二极管导通；当电感能量释放完毕，而IGBT没有给开关信号，此时，二极管关断，DC545V的支撑电容向负载提供能量，电感电流处于断续状态。
当斩波器电流处于断续模式时，工作模式由二极管导通向关断切换，线路中杂散参数以及二极管关断时反向恢复电流的存在导致二极管两端电压出现震荡。
IGBT驱动电路的短路故障检测机理为当IGBT开通时，通过检测IGBT Vce两端电压判断是否超过阈值（现有驱动电路板设置值为12V），超过封锁脉冲并通知上级ACU控制单元。
分析发现，在二极管关断时的电压出现震荡的第1个周期内，IGBT导通就有可能导致斩波模块门极驱动板短路保护误动作。
负载投切时，会加大震荡电压峰值和震荡时间，容易触发斩波门极驱动误保护。
辅助变流器2组工作在变频模式，启动时，其输出电压频率由0Hz升至25Hz，负载电机依次投入；当司机给方向位时，频率由25Hz升至40Hz，手柄级位在3级以下时，频率固定在40Hz；手柄级位高于3级时，频率由40Hz升至50Hz。在25Hz～40Hz升频过程中，斩波器工作在连续与断续模式的分界点，此时容易产生主电路电压震荡，触发斩波门极驱动误保护。
二极管的反向恢复电流随温度的升高而增加，使得二极管关断时电压振荡尖峰加大，这也是温度升高时，斩波器易报门级驱动故障的原因。
3、故障解决方案
3.1 解决方案
通过上面分析，该故障为一种误保护故障，可以从三个方向解决：
1、优化整车主电路布线，降低主电路中的分布参数；
2、改变斩波门极驱动短路保护电路，避免误保护现象；
3、优化辅助系统控制策略，减少或消除误保护诱因。
方案1实施难度较大，整车机械间及辅助变流柜已经定型，无法改造，且分布参数的测试及改善比较难以实施。
方案2涉及到IGBT驱动的短路保护电路设计，该电路板采用的是比较经典的间接电压法。当IGBT出现过流情况时，vce饱和压降增大，通过检测IGBT导通时的vce饱和压降与设定的阈值进行比较判断是否出现过流。这种保护方式容易受到Vce电压变化的影响，采取类似SCALE-2代的短路保护电路或许能够解决但需要重新设计，对于批量运行的产品而言风险较大。
因此我们采取优化辅助系统控制策略的第3种方案。
3.2 實施方案
1、ACU2在25Hz～40Hz升频过程中，斩波器基本工作在斩波器电感电流连续与断续临界点，为故障高发生区域。ACU2在40Hz以下工作时，将中间DC545电压降低为480V。通过试验证明，该方法有效抑制斩波门极驱动故障的产生。 而且不会影响辅助电源要求， 0Hz输出AC交流电压为304V，此时调制比为0.893<1.15（满调制比），满足辅助逆变器输出电压特性要求。
2、將斩波电路单电压环控制方式改变为电压电流双闭环控制方式，斩波器中间电压动态性能得到大幅提升，斩波器动态恢复时间由原来的500ms大幅缩短至50ms，并且恢复过程中，DC545V电压没有震荡，输出平稳，动态性能得到大幅提升，同时可以看到，辅助逆变器输出电流平稳，相比优化前，电流没有出现震荡。
3、该故障为保护误动作，并不是主电路中存在短路现象，而且该故障可通过司控台“复位”按钮复位。因此采用自复位方式优化程序，复位斩波门级驱动板，解除故障报警，将斩波器再次投入工作。
4 、结论
目前，上述优化后的程序已在各机务段逐步开始进行测试，测试效果良好，优化后的机车基本未单独出现该类故障现象（是否误报要根据机车整体故障信息综合判断），在2016年在线运行的424台HXD2机车该类故障现象为128起，在开始逐步优化程序后，截止2017年5月1日该故障现象只出现4起，应该是有效的解决了该类故障现象。
参考文献
[1]付拥军，张中，刘密，高健，HXD2型大功率交流传动货运电力机车辅助电气系统[J].机车电传动，2009，1
[2] 周志敏，周纪海. IGBT 和IPM 及其应用电路[M]. 北京： 人民邮电出版社，2006.
关键词：辅助变流； 降压斩波； 驱动；IGBT
2013年，国产化的HXD2电力机车（俗称新八轴机车）上线运行以来，其辅助变流系统的降压斩波模块多次报斩波门极驱动故障，影响机车正常运行。更换降压斩波模块门极驱动板后并未解决故障现象，中车大同公司组织技术团队在安康机务段，迎水桥机务段等配合下对故障现象进行跟踪测试，故障分析及解决。
1.辅助变流降压斩波模块
1.1 主电路
辅助变流系统由ACU发出控制信号，控制降压斩波模块IGBT的导通与关断，将DC1800V斩成600Hz的脉冲波，再通过中间电路中的平波电抗器和电容器的滤波后，得到稳定的DC545V，为三相辅助逆变器提供电源。
1.2 驱动电路
驱动电路主要用于驱动斩波模块内的开关器件IGBT的导通和关断。同时具有短路保护功能并将故障发送到ACU。
2、故障现象及原因分析
2.1 故障现象
HXD2机车多次发生辅助变流器斩波器门极驱动故障，这些故障具有偶发性，很难故障复现，大多数没有硬件损坏，可以通过司控台“复位”按钮使其复位，但严重时会导致该路辅助系统隔离。根据现场数据统计，该故障现象有3个特点：
（1）故障多出现在过分相前后、主断路器闭合和断开时候、压缩机投入和切除等负载投切的情况下；
（2）一节机车有两组辅助变流回路，作为变频负载回路ACU2的降压斩波模块故障概率较高；
（3）夏季的故障率要大于冬季。
2.2 故障分析
降压斩波功率模块为主牵引四象限变流器与辅助逆变器的中间环节，当某个降压斩波模块报故障而封锁脉冲时会导致该路辅助回路不能工作。
降压斩波功率模块的主电路为典型的BUCK电路，IGBT作为开关器件，续流二极管反并联连接，串联的电感和并联的电容作为低通滤波电路。当IGBT导通时，DC1800V通过IGBT为负载提供能量，同时电感储存能量；当IGBT关断时，电感储存的能量通过二极管向负载提供能量，二极管导通；当电感能量释放完毕，而IGBT没有给开关信号，此时，二极管关断，DC545V的支撑电容向负载提供能量，电感电流处于断续状态。
当斩波器电流处于断续模式时，工作模式由二极管导通向关断切换，线路中杂散参数以及二极管关断时反向恢复电流的存在导致二极管两端电压出现震荡。
IGBT驱动电路的短路故障检测机理为当IGBT开通时，通过检测IGBT Vce两端电压判断是否超过阈值（现有驱动电路板设置值为12V），超过封锁脉冲并通知上级ACU控制单元。
分析发现，在二极管关断时的电压出现震荡的第1个周期内，IGBT导通就有可能导致斩波模块门极驱动板短路保护误动作。
负载投切时，会加大震荡电压峰值和震荡时间，容易触发斩波门极驱动误保护。
辅助变流器2组工作在变频模式，启动时，其输出电压频率由0Hz升至25Hz，负载电机依次投入；当司机给方向位时，频率由25Hz升至40Hz，手柄级位在3级以下时，频率固定在40Hz；手柄级位高于3级时，频率由40Hz升至50Hz。在25Hz～40Hz升频过程中，斩波器工作在连续与断续模式的分界点，此时容易产生主电路电压震荡，触发斩波门极驱动误保护。
二极管的反向恢复电流随温度的升高而增加，使得二极管关断时电压振荡尖峰加大，这也是温度升高时，斩波器易报门级驱动故障的原因。
3、故障解决方案
3.1 解决方案
通过上面分析，该故障为一种误保护故障，可以从三个方向解决：
1、优化整车主电路布线，降低主电路中的分布参数；
2、改变斩波门极驱动短路保护电路，避免误保护现象；
3、优化辅助系统控制策略，减少或消除误保护诱因。
方案1实施难度较大，整车机械间及辅助变流柜已经定型，无法改造，且分布参数的测试及改善比较难以实施。
方案2涉及到IGBT驱动的短路保护电路设计，该电路板采用的是比较经典的间接电压法。当IGBT出现过流情况时，vce饱和压降增大，通过检测IGBT导通时的vce饱和压降与设定的阈值进行比较判断是否出现过流。这种保护方式容易受到Vce电压变化的影响，采取类似SCALE-2代的短路保护电路或许能够解决但需要重新设计，对于批量运行的产品而言风险较大。
因此我们采取优化辅助系统控制策略的第3种方案。
3.2 實施方案
1、ACU2在25Hz～40Hz升频过程中，斩波器基本工作在斩波器电感电流连续与断续临界点，为故障高发生区域。ACU2在40Hz以下工作时，将中间DC545电压降低为480V。通过试验证明，该方法有效抑制斩波门极驱动故障的产生。 而且不会影响辅助电源要求， 0Hz输出AC交流电压为304V，此时调制比为0.893<1.15（满调制比），满足辅助逆变器输出电压特性要求。
2、將斩波电路单电压环控制方式改变为电压电流双闭环控制方式，斩波器中间电压动态性能得到大幅提升，斩波器动态恢复时间由原来的500ms大幅缩短至50ms，并且恢复过程中，DC545V电压没有震荡，输出平稳，动态性能得到大幅提升，同时可以看到，辅助逆变器输出电流平稳，相比优化前，电流没有出现震荡。
3、该故障为保护误动作，并不是主电路中存在短路现象，而且该故障可通过司控台“复位”按钮复位。因此采用自复位方式优化程序，复位斩波门级驱动板，解除故障报警，将斩波器再次投入工作。
4 、结论
目前，上述优化后的程序已在各机务段逐步开始进行测试，测试效果良好，优化后的机车基本未单独出现该类故障现象（是否误报要根据机车整体故障信息综合判断），在2016年在线运行的424台HXD2机车该类故障现象为128起，在开始逐步优化程序后，截止2017年5月1日该故障现象只出现4起，应该是有效的解决了该类故障现象。
参考文献
[1]付拥军，张中，刘密，高健，HXD2型大功率交流传动货运电力机车辅助电气系统[J].机车电传动，2009，1
[2] 周志敏，周纪海. IGBT 和IPM 及其应用电路[M]. 北京： 人民邮电出版社，2006.