近年来，中国城市轨道交通发展迅速，随着城市轨道交通运营里程的增加，列车各部件的故障率也随之增加。作为城轨车辆的关键子系统，牵引变流器的可靠性直接影响列车运行的安全性和稳定性。因此，必须确保牵引变流器能够长时间无故障运行。根据工业调查，绝缘栅双极性晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）是电力电子变换器中最易受损的器件。因此，研究牵引变流器中IGBT模块的可靠性具有重要意义。

可靠性是指功率器件能够长时间无故障运行的能力。过去，大多数电力电子器件的可靠性信息是从失效产品的统计数据中获得的。 通过上述可靠性信息，构建了基于经验的数据手册，例如，Military- Handbook-217F，并以此作为预测电力电子变换器寿命的基础。

这种寿命预测的方法均是基于假设——器件的故障率是恒定的指数分布。由于该方法无法反映运行工况对器件寿命的影响，因此是不准确的，并且其无法反映IGBT具体的失效原因和失效机理。实际上，IGBT模块的运行状态取决于牵引电机的输出功率，这会在很大程度上影响IGBT模块的失效率。

近年来，主要有两种方法应用于IGBT的寿命预测：一种是基于IGBT的端部特性，即采用VCE_ON、VGE、IC、TON/TOFF等电气参数进行IGBT的寿命预测；另一种是基于任务剖面的方法，即根据IGBT的运行状态计算IGBT承受的应力，从而预测IGBT的寿命，此方法考虑了IGBT应用的电路拓扑和工作条件。前一种方法需要大量高精度传感器来测量可以反映IGBT退化状态的电气参数，其应用于城轨车辆牵引变流器是不实际的。

目前，由于大多数风力发电机是无人值守的，因此，在风力发电系统中，基于任务剖面的IGBT寿命预测得到了广泛的研究。此外，风电变换器的检查和维护成本很高，尤其是随着海上风电的兴起。因此，有必要确保风力发电变换器可以在规定的时间内无故障运行。

有学者提出了基于任务剖面的风力发电机IGBT模块寿命预测方法。通过该方法，使变换器的应用条件与可靠性性能紧密结合，从而更准确地评估和预测IGBT的寿命。有学者为了解决现有模型在一定时间范围内受限制的问题，根据电力电子变换器的负载行为提出了多时间尺度建模，包括电路级、系统级和环境级建模，从而能够比较完整地映射出IGBT的负载信息，有助于更准确、更快速地预测IGBT的寿命。

基于任务剖面的IGBT寿命预测已经广泛应用于风力发电系统，该应用场景下IGBT的热应力随风速和环境温度的变化而随机变化。对于城轨车辆牵引变流器中的IGBT模块，热应力通常是周期性的。因此，多时间尺度建模方法在牵引变流器IGBT寿命预测中的应用意义并不明显。

在牵引变流器中，IGBT寿命预测的关键是准确度，从而可以为牵引变流器的设计、运行和维护提供指导。有学者将VCE_ON的初始值增加5%作为寿命终止（End of Life, EOL）的标准，然后验证了基于任务剖面的IGBT寿命预测的准确性。

基于任务剖面的IGBT寿命预测可应用于牵引变流器的设计和运行阶段。在设计阶段，通过预测IGBT的使用寿命来确定其是否满足可靠性要求。在运行阶段，计算出IGBT的累积损伤程度和预期使用寿命，可以指导牵引变流器的维修和更换。此外，可以优化车辆在具体线路上的运行控制方式，从而延长IGBT模块的使用寿命，提高牵引变流器的可靠性和可用性。

北京交通大学电气工程学院的研究人员将基于任务剖面的IGBT寿命预测方法应用于城轨车辆牵引变流器。该方法将IGBT的可靠性性能评估与实际运行条件相结合，从而为变流器的设计和控制优化提供基础。

图1 牵引变流器IGBT模块寿命预测

他们分析了牵引变流器控制方法对IGBT寿命的影响。通过仿真比较了不同运行区间下IGBT的功率损耗和稳态结温。在恒转矩区，IGBT的导通损耗Pcond随着电机转速的增大而增大，而在方波区，导通损耗Pcond则减小。开关损耗Psw在恒转矩区下变化不大，在方波区随着电机转速的增大而增大。与恒转矩区相比，方波区的开关损耗Psw更低。

研究人员设计了以可靠性为导向的牵引变流器控制策略。对于牵引变流器，有三种主动热控制方法可以实现可靠性导向的控制。其中，系统控制级的ATC是相对较好的实现方法，它是根据线路条件优化运行曲线得到的。本研究采用遗传算法优化得到了运行曲线，从而延长了IGBT的使用寿命。

本文编自2021年《电工技术学报》增刊2，论文标题为“可靠性导向的城轨车辆牵引变流器控制策略”，作者为林帅、方晓春 等。