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近年來，中國城市軌道交通發展迅速，隨著城市軌道交通運營里程的增加，列車各部件的故障率也隨之增加。作為城軌車輛的關鍵子系統，牽引變流器的可靠性直接影響列車運行的安全性和穩定性。因此，必須確保牽引變流器能夠長時間無故障運行。根據工業調查，絕緣柵雙極性晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）是電力電子變換器中最易受損的器件。因此，研究牽引變流器中IGBT模塊的可靠性具有重要意義。

可靠性是指功率器件能夠長時間無故障運行的能力。過去，大多數電力電子器件的可靠性信息是從失效產品的統計數據中獲得的。 通過上述可靠性信息，構建了基于經驗的數據手冊，例如，Military- Handbook-217F，并以此作為預測電力電子變換器壽命的基礎。

這種壽命預測的方法均是基于假設——器件的故障率是恒定的指數分布。由于該方法無法反映運行工況對器件壽命的影響，因此是不準確的，并且其無法反映IGBT具體的失效原因和失效機理。實際上，IGBT模塊的運行狀態取決于牽引電機的輸出功率，這會在很大程度上影響IGBT模塊的失效率。

近年來，主要有兩種方法應用于IGBT的壽命預測：一種是基于IGBT的端部特性，即采用VCE_ON、VGE、IC、TON/TOFF等電氣參數進行IGBT的壽命預測；另一種是基于任務剖面的方法，即根據IGBT的運行狀態計算IGBT承受的應力，從而預測IGBT的壽命，此方法考慮了IGBT應用的電路拓撲和工作條件。前一種方法需要大量高精度傳感器來測量可以反映IGBT退化狀態的電氣參數，其應用于城軌車輛牽引變流器是不實際的。

目前，由于大多數風力發電機是無人值守的，因此，在風力發電系統中，基于任務剖面的IGBT壽命預測得到了廣泛的研究。此外，風電變換器的檢查和維護成本很高，尤其是隨著海上風電的興起。因此，有必要確保風力發電變換器可以在規定的時間內無故障運行。

有學者提出了基于任務剖面的風力發電機IGBT模塊壽命預測方法。通過該方法，使變換器的應用條件與可靠性性能緊密結合，從而更準確地評估和預測IGBT的壽命。有學者為了解決現有模型在一定時間范圍內受限制的問題，根據電力電子變換器的負載行為提出了多時間尺度建模，包括電路級、系統級和環境級建模，從而能夠比較完整地映射出IGBT的負載信息，有助于更準確、更快速地預測IGBT的壽命。

基于任務剖面的IGBT壽命預測已經廣泛應用于風力發電系統，該應用場景下IGBT的熱應力隨風速和環境溫度的變化而隨機變化。對于城軌車輛牽引變流器中的IGBT模塊，熱應力通常是周期性的。因此，多時間尺度建模方法在牽引變流器IGBT壽命預測中的應用意義并不明顯。

在牽引變流器中，IGBT壽命預測的關鍵是準確度，從而可以為牽引變流器的設計、運行和維護提供指導。有學者將VCE_ON的初始值增加5%作為壽命終止（End of Life, EOL）的標準，然后驗證了基于任務剖面的IGBT壽命預測的準確性。

基于任務剖面的IGBT壽命預測可應用于牽引變流器的設計和運行階段。在設計階段，通過預測IGBT的使用壽命來確定其是否滿足可靠性要求。在運行階段，計算出IGBT的累積損傷程度和預期使用壽命，可以指導牽引變流器的維修和更換。此外，可以優化車輛在具體線路上的運行控制方式，從而延長IGBT模塊的使用壽命，提高牽引變流器的可靠性和可用性。

北京交通大學電氣工程學院的研究人員將基于任務剖面的IGBT壽命預測方法應用于城軌車輛牽引變流器。該方法將IGBT的可靠性性能評估與實際運行條件相結合，從而為變流器的設計和控制優化提供基礎。

圖1 牽引變流器IGBT模塊壽命預測

他們分析了牽引變流器控制方法對IGBT壽命的影響。通過仿真比較了不同運行區間下IGBT的功率損耗和穩態結溫。在恒轉矩區，IGBT的導通損耗Pcond隨著電機轉速的增大而增大，而在方波區，導通損耗Pcond則減小。開關損耗Psw在恒轉矩區下變化不大，在方波區隨著電機轉速的增大而增大。與恒轉矩區相比，方波區的開關損耗Psw更低。

研究人員設計了以可靠性為導向的牽引變流器控制策略。對于牽引變流器，有三種主動熱控制方法可以實現可靠性導向的控制。其中，系統控制級的ATC是相對較好的實現方法，它是根據線路條件優化運行曲線得到的。本研究采用遺傳算法優化得到了運行曲線，從而延長了IGBT的使用壽命。

本文編自2021年《電工技術學報》增刊2，論文標題為“可靠性導向的城軌車輛牽引變流器控制策略”，作者為林帥、方曉春 等。