动车组的安全稳定运行是高速铁路运行的重中之重,而牵引变流器作为动车组的关键部件,其可靠运行直接关系到列车的安全。另外,基于工业应用的统计报告显示,功率器件为变流器中最为薄弱的环节。因此,通过功率模块故障检测、容错以及预测性维护等手段,保证其可靠运行对于提高牵引变流器运行可靠性、降低维修成本和减小故障影响具有显著的实际意义。本文以动车组两电平牵引变流器为研究对象,以提高牵引变流器运行可靠性为主要目标,重点开展了牵引变流器绝缘栅双极型晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor,IGBT）开路故障的检测方法、故障后的容错方案以及变工况下的功率器件寿命预测方法。论文的具体研究内容如下:首先,考虑到牵引逆变器IGBT开路之后,牵引电机定子电流中产生额外的故障频率成分,提出利用小波包分解以及集合经验模态分解的Shannon能量熵以及Tsallis能量熵对牵引逆变器IGBT开路故障进行检测;定义了检测效果评价因子κ,用于评价各算法对于故障检测的能力;最终选取小波包Tsallis能量熵作为最优故障检测算法。由于能量熵无法对故障IGBT做出具体定位,加入故障相电流的直流分量,完成故障定位。硬件在回路实验验证了算法在动态以及变工况条件下能够准确检测、识别故障IGBT。其次,考虑到小波包Tsallis能量熵计算复杂,难以在牵引控制单元中实现对IGBT故障的实时检测,提出了一种基于电压残差的IGBT开路故障检测识别算法。利用完备的开关函数分析相电压在正常情况以及故障情况下的表现,得到两者的残差;对残差进行分析,得到其在不同故障下的特征,给出了残差阈值和检测时间的理论值以及不同故障的判断准则;残差的实际获取由开关函数和磁链估算实现,避免了额外的电压传感器,降低了检测方案的成本;利用电压矢量的幅值对残差进行了归一化,保证其在不同工况下具有良好的检测性能。硬件在回路实验验证了算法在不增加额外成本的情况下,能在一个周波内完成电机不同转矩、转速下IGBT开路故障的准确检测与定位。接着,提出了一种基于电流残差向量的牵引整流器IGBT开路故障检测识别方法。对整流器对角IGBT开路情况下的电流通路进行分析,揭示了需要利用控制序列才能对对角IGBT故障进行区分;利用包含控制序列信息的切换系统对整流器进行建模,建立故障电流观测器,得到电流残差向量;依据残差向量内各元素值与阈值的关系,完成对故障IGBT的准确检测与识别。最后,利用RT-LAB平台对算法进行了验证,结果显示算法可以对不同工况下的IGBT故障进行准确检测与识别,且不需要增加额外硬件。然后,对于现有的三相六开关（Three-Phase Six-Switch,TPSS）容错方案,将不带续流二极管的IGBT替换为带整流电路的IGBT,避免了在运行过程中IGBT因承受反向高压而损毁;给出了电容电压波动下的调制方案以及电容电压偏置的补偿方案;分析改进TPSS方案和三相四开关容错方案在牵引电机不同转速和转矩条件下的转矩波动大小,给出了一种低转矩波动的容错方案。硬件在回路实验验证了所提容错方案能依据工况准确选择具有较低转矩波动的容错拓扑,使系统在容错条件下继续平稳运行。最后,考虑到牵引变流器中IGBT除了瞬发性故障之外,还存在着器件损耗导致的老化失效。老化失效并不立即对系统造成影响,但是会随着时间推移逐步降低其性能,最终造成故障。为此,针对IGBT模块的键合线老化失效,通过有限元分析得到了模块内部的温度分布以及老化过程对IGBT导通电压的影响规律;建立了键合线老化过程的状态空间模型,并对温度以及金属化层老化对导通电压的影响进行补偿;通过边缘重采样滑动算法以及IGBT运行数据对所建立模型中的未知参数进行辨识;利用参数辨识过程中产生的状态粒子对IGBT的寿命进行预测。为验证算法的有效性,搭建了功率循环试验平台。实验结果验证了本文方法在IGBT模块温度波动幅度变化情况下仍能准确地对其寿命进行预测。