軌道交通系統(tǒng)作為大中型城市公共交通出行的重要方式，以其載客量大、不受交通擁堵影響的優(yōu)點日益得到廣泛采用。城市軌道交通系統(tǒng)的主要組成部分中，軌道交通列車作為載運工具起著至關重要的作用，而其中的列車牽引變流器為列車運行提供牽引力或電制動力，其運行可靠性、使用壽命直接影響整個列車的總體水平。

目前業(yè)內對大功率牽引變流器內功率開關器件的老化評估方面單純圍繞其中的IGBT展開研究。而IGBT器件老化狀態(tài)監(jiān)測、故障率和壽命預測目前存在諸多問題。

一方面，當前的IGBT老化試驗僅采用基于單向老化電流的測試方法，這種方法僅能夠反映IGBT的老化規(guī)律而無法反映續(xù)流二極管（Free Wheeling Diode, FWD）的老化水平，因而所建立的老化模型誤差大。此外，狀態(tài)評估手段無法應用于大功率IGBT的在線老化評估，而且均為離線評估。目前的方法大多通過IGBT的結溫敏感參數(shù)的變化情況間接評估IGBT的老化水平，如米勒平臺持續(xù)時間、米勒電容、熱阻、飽和壓降等。這些熱敏參數(shù)或是無法直接測量，或是不被當前的主流驅動板卡支持。

另一方面，有研究僅著眼于如何再現(xiàn)IGBT的老化規(guī)律，但是關于相關老化規(guī)律如何應用于城軌交通這種負荷多變的環(huán)境下卻無案例可以借鑒。

基于上述原因，本文提出一種基于雙向老化電流的功率開關器件老化規(guī)律測試方法，基于功率開關器件在不同老化電流下的老化試驗結果建立老化規(guī)律的數(shù)學擬合模型，繼而根據(jù)牽引變流器控制策略與主回路拓撲建立等效老化電流的在線重構模型，結合老化試驗的結果實現(xiàn)損傷程度的在線評估，同時憑借灰色模型對損傷這一雙指數(shù)過程的精確擬合能力實現(xiàn)功率開關器件損傷水平的預測。

圖1 城軌牽引變流器功率回路拓撲

圖4 基于雙向測試電流的加速老化試驗平臺

總結

本文圍繞城市軌道交通列車牽引變流器中的高壓大功率開關器件的老化狀態(tài)評估與長效壽命預測方面開展研究。首先提出了一種基于雙向老化測試電流的加速老化試驗方式，研究FWD對整個開關器件老化情況的加速效應，繼而建立了開關器件與老化電流、環(huán)境溫度間的擬合模型。

在電流傳感器正常以及故障條件下，提出了開關器件內IGBT、FWD的電流解析觀測模型，并結合加速實驗中得到的加速因子給出了開關器件等效老化電流的在線觀測方法。以累積損傷度構造功率開關器件壽命預測模型的輸入序列，通過GM(2,1)預測模型擬合器件在實際工況下的損傷度累積情況，最終實現(xiàn)長效使用壽命的預測。