一种动车组牵引变流器IGBT的寿命优化方法技术

本发明专利技术公开了一种动车组牵引变流器IGBT的寿命优化方法，属于轨道交通车辆技术领域，该方法包括根据实际线路数据和实际运行工况，利用车辆动力学模型和牵引变流器半实物级仿真模型分别得到四象限整流器和逆变器的电压波形数据和电流波形数据，并基于IGBT模块功率损耗计算模型、IGBT模块热网络模型和Coffin

【技术实现步骤摘要】
一种动车组牵引变流器IGBT的寿命优化方法


[0001]本专利技术属于轨道交通车辆
，尤其涉及一种动车组牵引变流器IGBT的寿命优化方法。

技术介绍

[0002]截至2022年底，中国高铁里程已达4.2万公里，但大量的高铁车辆随着运营时间的增长，逐步进入可靠性浴盆曲线的中后期阶段，车辆产品的故障率在逐渐增高，运行稳定性及可靠性水平在逐年下降。IGBT是高铁车辆牵引变流器的关键部件，承担着功率变换的重要作用，在经过近十年的长期运营后，某些型号的动车组车辆IGBT的故障率正逐年递升，严重影响了线路的正常运行。研究发现，产生IGBT故障率升高的主要原因是IGBT在长期运营后达到了一定的老化状态，尤其是相关产品的寿命设计未充分考虑国内站间距长、站点多、载客量大以及线路环境多样等特点。
[0003]IGBT模块是大功率变流器的核心元件，也是失效率较高的重要元件之一。在动车组牵引变流器中应用IGBT模块的有四象限整流器和逆变器两部分。在动车组牵引变流器的设计中，研发工程师通常会根据牵引计算结果中的牵引功率、输入输出电流以及直流母线电压水平选择本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种动车组牵引变流器IGBT的寿命优化方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、根据实际线路数据和实际运行工况，利用车辆动力学模型计算得到牵引变流器的输入功率和输出功率；S2、根据所述输入功率和输出功率，利用牵引变流器半实物级仿真模型分别计算得到线路运行工况下四象限整流器电压波形数据、四象限整流器电流波形数据、逆变器电压波形数据和逆变器电流波形数据；S3、根据所述四象限整流器电压波形数据、四象限整流器电流波形数据、逆变器电压波形数据和逆变器电流波形数据，利用IGBT模块功率损耗计算模型、IGBT模块热网络模型和Coffin
‑
Manson寿命模型相结合计算得到四象限整流器的IGBT模块工作寿命和逆变器的IGBT模块工作寿命；S4、根据四象限整流器的IGBT模块工作寿命和逆变器的IGBT模块工作寿命，计算得到优化对象，并利用IGBT模块寿命优化控制系统对优化对象进行寿命优化，完成动车组牵引变流器IGBT的寿命优化。2.根据权利要求1所述动车组牵引变流器IGBT的寿命优化方法，其特征在于，所述步骤S1具体如下：S101、根据车辆的质量数据、载荷数据、编组数据、动托比数据和牵引传动系统组成数据，利用整车单质点简化建模的思想和车辆动力学原理，得到车辆动力学模型；S102、根据实际线路数据和实际运行工况，结合车辆动力学模型进行线路运行仿真，计算牵引变流器的运行速度和牵引/制动力；S103、根据运行速度和牵引/制动力，得到牵引变流器的输入功率和输出功率：S103、根据运行速度和牵引/制动力，得到牵引变流器的输入功率和输出功率：S103、根据运行速度和牵引/制动力，得到牵引变流器的输入功率和输出功率：S103、根据运行速度和牵引/制动力，得到牵引变流器的输入功率和输出功率：S103、根据运行速度和牵引/制动力，得到牵引变流器的输入功率和输出功率：其中，P
逆变器
为输出功率，表示逆变器输出功率曲线结果；P
四象限
为输入功率，表示四象限整流器输入功率曲线结果；η
电机
为电机工作效率；η
逆变器
为逆变器工作效率；η
四象限
为四象限整流器工作效率；P
motor
为电机机械功率曲线结果；T为电机转矩；ω为电机转速；F
d
为牵引/制动力；D为轮径；n
m
为电机数量；α为传动效率；β为齿轮传动比；γ为齿轮比；v为牵引变流器的实际运行速度。3.根据权利要求1所述的动车组牵引变流器IGBT的寿命优化方法，其特征在于，所述步骤S2具体如下：
S201、根据牵引变流器拓扑，得到牵引变流器拓扑级仿真模型；S202、基于牵引变流器拓扑级仿真模型，同时设置四象限整流器和逆变器的调制模式，并设置四象限整流器IGBT模块的开关频率和逆变器IGBT模块的开关频率，得到牵引变流器半实物级仿真模型；S203、根据所述输入功率和输出功率，利用牵引变流器半实物级仿真模型，分别计算得到线路运行工况下四象限整流器电压波形数据、四象限整流器电流波形数据、逆变器电压波形数据和逆变器电流波形数据；所述四象限整流器电流波形数据和逆变器电流波形数据的表达式分别为：的表达式分别为：其中，I
四象限
为四象限整流器电流波形数据；U
四象限
为四象限整流器电压波形数据，为固定值；I
逆变器
为逆变器电流波形数据；U
逆变器
为逆变器电压波形数据；为功率因数；P
逆变器
为输出功率，表示逆变器输出功率曲线结果；P
四象限
为输入功率，表示四象限整流器输入功率曲线结果。4.根据权利要求1所述动车组牵引变流器IGBT的寿命优化方法，其特征在于，所述步骤S3具体如下：S301、根据所述四象限整流器电压波形数据、四象限整流器电流波形数据、逆变器电压波形数据和逆变器电流波形数据，搭建IGBT模块功率损耗计算模型：P
loss
＝P
con
+P
sw
P
con
＝P
conT
+P
conD
P
sw
＝P
swT
+P
swDswDswDswD
其中，P
loss
为IGBT模块功率损耗计算模型，表示IGBT模块损耗；P
con
为IGBT模块通态损耗；P
sw
为IGBT模块开关损耗；P
swT
为IGBT芯片开关损耗；P
swD
为二极管开关损耗；P
conT
为IGBT芯片通态损耗；P
conD
为二极管通态损耗；T
s
为IGBT芯片开关周期；δ为当前开关周期内IGBT芯片导通的占空比；v
ce
为IGBT导通压降；i
c
为IGBT集电极电流；v
ce0
为IGBT芯片静态特性曲线
线性拟合之后和横轴的交点；r
ce
为IGBT芯片拟合曲线的斜率；T
s
'为二极管开关周期；δ'为当前开关周期内二极管导通的占空比；v
F
为二极管通态压降；i
F
为流经二极管的通态电流；v
F0
为二极管静态特性曲线线性拟合之后和横轴的交点；r
F
为二极管拟合曲线的斜率；f
sw
为IGBT芯片开关频率；E
on
和E
off
分别为IGBT芯片在额定条件下的开通和关断能耗；I
c
为实际流经IGBT芯片的电流值；I
ref
为IGBT芯片参考电流；V
DC
为IGBT芯片实际的直流侧电压值；V
ref
为IGBT芯片参考阻断电压；K
V
为IGBT芯片开关损耗的电压依赖性指数；C
T
为IGBT芯片开关损耗的温度系数；T
j
为IGBT芯片结温；T
ref
为IGBT芯片参考温度；f
sw
'为二极管开关频率；E
rr
为二极管反向恢复损耗；I
F
为实际流经二极管的电流值；I
ref
'为二极管参考电流；V
DC
'为二极管实际的直流侧电压值；V
ref
'为二极管参考阻断电压；K
V
'为二极管开关损耗的电压依赖性指数；C
T
'为二极管开关损耗的温度系数；T
j
'为二极管结温；T
ref
'为二极管参考温度；S302、根据IGBT模块功率损耗计算模型，分别得到四象限整流器的IGBT模块损耗和逆变器的IGBT模块损耗；S303、设置四象限整流器的IGBT模块散热器热阻抗和逆变器的IGBT模块散热器热阻抗，并根据IGBT模块热特性，搭建IGBT模块热网络模型；所述IGBT模块热特性的表达式为：R＝T
j
＝P
loss
*(Z
th(j
‑
c)
+Z
tc
)+T
a
其中，R为IGBT模块热特性；Z
tc
为散热器热阻抗；Z
th(j
‑
c)
为IGBT模块结
‑
壳热阻抗；T
a
为环境温度；t为时间；n为热网络的阶数；R
i
为第i阶热阻；i为热阻序号；τ
i
为第i阶热阻R
i
与第i阶热容的乘积；exp为以e为底的指数函数；S304、根据IGBT模块热网络模型、四象限整流器的IGBT模块损耗和逆变器的IGBT...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯晓云，曹虎，荆蕾，牟述佳，邓清丽，初开麒，苟斌，李政达，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：