高压IGBT劣化机理分析及状态监测技术研究综述

基于模块化多电平换流器(MMC)的柔性直流输电(VSC-HVDC)技术在电力传输等领域得到广泛应用。高压IGBT的劣化机理分析及状态监测技术对于保证MMC的可靠性具有重要意义。高压IGBT有焊接型和压接型两种不同的封装形式。目前焊接型IGBT的劣化机理研究综述较多,但是缺乏压接型IGBT的相关总结。因此,首先总结了压接型IGBT的状态劣化形式和机理。然后从电学、热学和绝缘参量的角度分析了近年来国内外高压IGBT状态监测领域的研究现状,特别补充了关于压接型IGBT的有关内容。最后,基于对国内外研究中存在问题的分析,展望了MMC用高压IGBT状态监测技术的发展趋势和值得深入研究的方向。对于MMC用高压IGBT状态监测技术研究具有一定意义。     

MMC子模块设备老化机理与状态监测研究综述

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)是柔性直流输电的核心装置,其安全稳定运行对多端柔性直流输电系统的安全具有重要意义。MMC中重要功率设备绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)和金属化聚丙烯薄膜电容器(metallized polypropylene film capacitor,MPPF-Cap)在长期运行过程中逐渐老化,出现内部结构的异常,引起运行特y性参数一定趋势的改变,其工作性能劣化将影响MMC的运行性能。文中总结了国内外关于MMC子模块设备IGBT和MPPF-Cap的老化机理和状态监测方法的研究现状,介绍现有的结合MMC拓扑结构与运行特性的子模块电容器状态监测方法,并展望了MMC子模块设备状态监测与评估领域未来的研究方向。     

柔直用压接型高压IGBT导通压降演化规律研究

MMC子模块中的高压功率器件绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)在长期运行工况下逐渐发生热老化,最终导致器件失效。因此,研究IGBT的状态监测技术对于MMC的可靠运行具有重要意义。目前的文献压接型IGBT导通压降演化规律研究较少,文中搭建了压接型IGBT功率循环试验平台,并在功率循环试验过程中同时监测得到不同热老化程度下的器件导通压降和门极电流,利用试验得到的结温与门极电流的线性关系将导通压降归一化到同一结温下,从而剥离结温对导通压降的影响。结果表明,导通压降随着热老化程度呈现上升的趋势,变化范围大致在10%以内。最后,将老化失效的两个IGBT解体,发现器件内部物理结构发生变化,芯片表面发现局部烧蚀甚至熔化。     

基于电热耦合模型和寿命预测的IGBT可靠性评估

针对IGBT可靠性评估中结温与运行工况和工作特性紧密相关的问题,以及考虑寿命预测中受多因素的影响,基于IGBT结构及失效机理,提出基于电热耦合模型和Bayerer寿命预测模型的IGBT可靠性预测流程,并结合贵州大学城市配电网柔性互联关键设备及技术研究示范工程,以MMC和DAB换流器中IGBT模块为研究对象,建立其热网络模型并根据设备实际运行工况计算内部IGBT芯片、FWD功率损耗和瞬时结温;通过雨流算法提取温度循环获得IGBT结温统计特征,从而得到IGBT的寿命预测和可靠性评估相关参数,并与利用功率循环曲线计算的失效率进行对比,结果表明,考虑了工作运行状态并基于电热耦合模型和寿命预测模型获得的失效率更能反映IGBT的实际运行情况.     

柔性直流输电工程中MMC模块内IGBT运行时暂态电压精确测量方法研究

模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)作为柔性直流输电的核心装置,运行状态关IGBT)的运行状态,提出了一种适合实际模块结构的IGBT暂态电压全过程精确测量方法。根据MMC结构设计了宽频电压传感模块,分压比为10 000:1,最高测量电压为10 kV,频响范围为DC～40 MHz。采集模块分为高电位和低电位模块,采样率为100 Ms/s,模拟带宽20 MHz,两模块之间采用光纤联接,有效解决了高电位测量中的绝缘问题。通过模拟阶跃试验和真型MMC平台试验验证了测量系统的分压比、频响特性等各项性能指标到达了设计要求,实现了柔性直流输电工程中MMC模块内IGBT运行暂态电压的实时监测,有利于及时发现MMC缺陷,提升运行稳定性。     

基于量化电压并行比较的IGBT状态监测保护电路

在中高压、大容量电力电子变流系统中,大功率IGBT模块是变流器的核心器件,而驱动电路是影响IGBT模块及其组成的变流系统运行可靠性的关键因素.已有研究表明,对于IGBT模块的突发故障与老化失效,通过驱动电路进行状态监测与保护是目前能够对其实现故障诊断最快的方法.因此,该文提出一种基于量化电压并行比较的IGBT状态监测保护电路.首先,建立IGBT模块等效电路模型,分析模块内部寄生参数对饱和导通压降Vce(sat)、短路电流Isc、开通延迟时间tdon及门极峰值电流Igpeak等状态参数的影响,利用其在不同老化程度下的变化范围构建IGBT模块的全寿命安全工作区,为量化电压设定提供依据.其次,以Vce(sat)与tdon作为采集对象,设定特定阈值,对检测信号进行量化,根据比较电路的逻辑输出实时监测并辨别短路故障与老化程度,从而保护IGBT模块.最后,利用Pspice进行仿真分析,验证了该方法的正确性与可行性.     

焊接型IGBT器件封装状态监测方法分析*

焊接型IGBT广泛应用于轨道交通、新能源发电等领域,是电力电子装备的核心功率器件,其可靠性对系统安全运行至关重要。封装失效是焊接型IGBT器件主要失效模式之一,而封装状态监测技术是实现器件故障诊断、状态预测及智能运维的关键。针对焊接型IGBT器件封装状态监测问题,首先,分析焊接型IGBT器件封装结构,研究焊接型IGBT器件封装可靠性薄弱部位;其次,针对键合线失效与焊料层失效两种主要封装失效模式,分析不同失效模式对应的状态监测方法;最后,分析现有监测方法存在的问题,研究可用于焊接型IGBT器件封装状态监测的新方法。相关成果为焊接型IGBT器件封装状态监测提供新的研究思路。     

模块化多电平换流器子模块短路故障分析、检测与定位方法

模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)由大量的子模块串联而成,MCC子模块的运行状态直接影响整个换流站的运行,所以研究MMC子模块的故障特性及故障快速检测与定位方法具有重要意义。本文首先分析了MMC子模块发生短路故障的特性,推导出故障分量的计算公式;然后提出了一种基于MMC子模块电容电压的新型微分欠压检测方法,实现了对MMC故障子模块的检测;最后利用小波变换进行故障IGBT的定位。PSCAD/EMTDC仿真实验表明,本文提出的方法能够准确计算发生MMC短路故障后的IGBT电容电压,并且在不引入额外测量装置的情况下,能快速检测故障子模块并定位故障IGBT,仿真结果验证了本文提出方法的有效性和可靠性。     

压接型高压IGBT门极驱动信号演化规律及失效形式研究

压接型高压IGBT是柔性直流输电用模块化多电平换流器（modular multilevel converter,MMC）中的核心器件,其在长期运行中逐渐发生热老化并最终失效,影响着MMC的运行性能。利用压接型高压IGBT的门极驱动信号演化规律监测器件状态对于是实现MMC子模块状态监测的重要手段。文中首先搭建了压接型IGBT功率循环试验平台,并在功率循环试验过程中定期测试器件门极驱动信号波形。结果表明随着老化循环次数的增加,压接型IGBT门极驱动电压上升沿米勒平台时间长度增大,门极驱动电流下降沿凹槽位置滞后。其次,对热老化失效以后的压接型IGBT芯片表面进行观测,发现芯片发射极门极氧化层附件出现裂纹,这一热老化失效形式是门极驱动信号变化的主要原因。最后,根据压接型IGBT内部多物理场耦合关系建立了有限元仿真模型,计算结果表明热应力在附加金属层与下钼层接触界面的边缘区域数值较大,在长期交变的应力疲劳后造成门极氧化层裂纹萌发,逐渐导致门极失效。文中研究结果说明了利用压接型高压IGBT门极驱动信号演化规律在线监测其门极老化状态具有一定意义。     

基于模块跨导的IGBT键合线健康状态准在线监测方法

IGBT模块被广泛应用于电力电子各个领域,其运行的可靠性至关重要。键合线失效是IGBT模块最常见的一种失效模式,该文提出一种基于模块跨导的IGBT键合线老化失效状态的准在线监测方法,该方法能够准确辨识键合线老化失效过程。首先对键合线准在线状态监测的原理进行了详细的分析,设计模块跨导的测量电路和数据分析方案,通过实验测量确定了键合线脱落数量与模块跨导之间的定量关系,并进行了温度的归一化处理。理论分析和实验结果表明,所提基于模块跨导的IGBT键合线状态监测方法对键合线老化失效敏感,可在变流器停机时(如风机切除风速时、电动汽车停车时等)实行准在线监测,易于工程实现,对提高功率变流器的可靠性具有非常重要的意义。     

柔性直流换流阀IGBT过流失效研究

IGBT过流失效极易导致模块爆炸、水冷系统漏水甚至换流阀停运,是危害柔性直流输电系统安全运行的重要因素之一.基于模块多电平柔性直流换流阀结构特点和运行工况,总结分析了柔性直流换流阀IGBT的短路过电流、脉冲式过电流和续流二极管过电流这3种过流失效类型及其特征;结合MMC换流阀的工作原理及特点,提出了IGBT3种过流方式...     

计及金属化膜电容器失效的MMC换流阀组件可靠性评估

换流阀组件的可靠性直接影响模块化多电平换流器(MMC)装备的运行安全,现有对换流阀组件可靠性评估大都忽略了电容器失效的影响,提出计及金属化膜电容器腐蚀失效的MMC换流阀组件可靠性评估方法。首先,基于实际电容器结构和材料属性,建立了金属化膜电容器的温度场模型,并对其温度分布规律进行比较验证。其次,在分析金属化膜电容器失效模式的基础上,以腐蚀失效为例,考虑电压和温度加速因子的影响,建立了金属化膜电容器的故障率模型。最后,结合焊接式绝缘栅双极型晶体管(IGBT)故障率模型,提出了计及金属化膜电容器失效的换流阀组件可靠性评估模型,对MMC换流阀的整流与逆变工况进行故障率计算和对比。结果表明:提出的模型可以较好地评估换流阀组件不同运行工况下的可靠性,电容器失效对MMC换流阀组件可靠性影响较为明显,逆变工况下组件的故障率明显高于整流运行工况。     

适用于±500kV/3000MW柔性直流输电换流器的电路拓扑损耗特性研究

电网异步互联和可再生能源装机容量增加的现实需求,推动柔性直流输电系统已经达到3000MW的级别。当前,受功率半导体器件发展水平所限,需要设计组合式模块化多电平换流器(MMC)拓扑实现柔性直流输电系统的扩容。但是,不同组合方式下系统参数设计以及所适用IGBT器件类型差异很大,这对多变量下的组合式换流器损耗特性研究提出了挑战。本文首先提出了一种单台MMC的损耗计算方法,然后推导了组合式MMC的损耗计算解析表达式。在此基础上,对比分析了采用4500V/1500A和4500V/3000A IGBT器件的情况下,四种适用于±500kV/3000MW柔性直流输电换流器的组合式MMC拓扑损耗特性。PSCAD/EMTDC仿真结果表明,四种拓扑中并联式MMC拓扑的损耗最小,验证了损耗特性分析的正确性。     

模块化多电平换流器功率模块过压保护策略及优化

阐述了模块化多电平换流器(MMC)功率模块IGBT不同封装方式及失效机理,分析了功率模块在故障前后及旁路开关闭合前后的工作原理。阐述了不同IGBT封装方式的MMC功率模块过压保护工作原理,针对焊接式IGBT功率模块过压保护策略存在电压测量过程中采样异常导致换流器跳闸的风险,对功率模块过压保护策略提出优化设计。优化策略在功率模块控制板卡中实现,程序资源占用量小且易于实现,有效避免了高层级控制设备误判误动作的风险。此外,提出了过电压判据以避免系统过压时误旁路功率模块。通过仿真验证了文中所提优化策略的有效性和可行性,所提出的优化策略已在某一实际工程中应用。     

基于戴维宁定理的MMC子模块等效数学模型的研究

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)的每个子模块都包含两个电力电子开关元件IGBT。随着系统模块数的增加,仿真的速度大大降低,如何在有限的资源中实现MMC的实时仿真成为了仿真系统的瓶颈。根据IGBT在MMC中的工作原理,把IGBT等效为两个不同状态的等效电阻,然后根据戴维宁等效定理建立MMC子模块的等效数学模型。最后在Matlab/Simulink环境下进行该数学模型的仿真,并与采用器件模型的仿真结果进行了对比。仿真结果表明该数学模型在一定的误差范围内可以取代MMC子模块的物理模型,具有一定的实用性。     

计及运行工况的MMC换流阀可靠性建模与分析

模块化多电平换流器(MMC)换流阀作为高压直流输电系统的核心设备,其可靠性关系到整个输电系统的安全稳定运行。以典型高压直流输电MMC换流阀为例,考虑换流阀运行工况,建立基于故障树分析方法的MMC换流阀的可靠性模型,并对其薄弱环节进行分析。首先,建立融入换流阀运行工况IGBT、二极管等元件的故障率模型;其次,考虑MMC换流阀功率模块和外围控制保护系统等,运用故障树分析方法,建立MMC换流阀故障树模型,得到相应可靠性指标的表达式;最后,根据可靠性指标公式计算各元件的故障率,采用概率灵敏度和关键灵敏度指标,辨识MMC换流阀的薄弱环节。结果表明:在整流和逆变工况下,MMC换流阀和元件的故障率最大,而在纯无功工况下故障率最小; IGBT模块和电源供给是MMC换流阀的薄弱环节,MMC子模块性能对换流阀可靠性的影响最为显著。     

模块化多电平换流器新型桥臂环流抑制策略研究

为抑制模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)的内部环流,介绍了一种新型的桥臂环流抑制策略,包括其MMC改进拓扑、环流抑制方法及电压校正模块(Voltage Correcting Module,VCM)的稳压控制方法。为便于工程应用,提出了该策略的VCM冗余控制方法,并对VCM进行了参数设计,包括子模块电压设计和支撑电容容值设计。仿真结果说明了所提VCM参数设计合理,验证了该冗余控制方案可在维持VCM电压稳定的基础上有效抑制换流器的桥臂环流。该方案适用于所有MMC系统,在使用IGBT串联MMC的高压大容量场合优势明显。     

基于键合线压降的IGBT模块内部缺陷监测研究

为了准确地评估出IGBT模块的健康水平,及时发现并更换存在缺陷的IGBT模块,提高功率变流器的可靠性,提出了一种基于键合线压降的IGBT模块内部缺陷诊断方法。通过监测IGBT模块内部单个芯片等效键合线压降的变化,辨识出IGBT模块内键合线的老化状态,进而判断出IGBT模块的健康水平。实验结果表明,基于键合线压降的IGBT模块内部缺陷诊断方法能准确地辨识出模块内键合线的老化过程,与采用监测门极信号辨识模块老化状态的方法相比,所提方法不仅能辨识出单个芯片全部键合线脱落的情况,而且能辨识出部分键合线老化的情况,在辨识精度上有了很大的提高。该方法为确定合适的时机对变流器进行维护、降低系统的维护成本提供了理论依据。     

模块化多电平换流器IGBT状态参数在线监测方法*

考虑模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter ,MMC)可靠性与关键元件参数密切相关,本文提出一种针对其子模块(Submodule, SM)中绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)状态参数估计的新方法。首先分析子模块开关状态量与电压的关系并建立桥臂电压数学模型;针对通过传感器采集的桥臂数据存在测量噪声,引入卡尔曼滤波理论,在线性最小方差准则下,建立了MMC子模块IGBT状态参数监测信息的数学模型,从而得到桥臂各子模块IGBT状态参数。该方法仅利用输电系统中已布置传感器,无需添加新的采集点,在不增加量测系统复杂度的同时有效降低投资成本与采样开销。最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台中搭建了MMC-HVDC的电磁暂态仿真模型,通过仿真验证了所提出的估计算法的有效性,且能有效消除桥臂传感器噪声的影响。该方法对提高监测系统的便携性,降低成本和能耗,有一定的参考价值。     

具备直流故障阻断能力的改进型多电平子模块

对于模块化多电平变换器(MMC)而言,多电平子模块能够有效改善传统桥式子模块带来的级联模块繁多、系统体积过大等问题,但传统的多电平子模块通常不具有直流故障阻断能力。为了改善多电平子模块的直流故障阻断能力,提出一种改进型T型子模块结构(MTMSM),该结构通过闭锁模块内部的IGBT便能够阻断直流故障。搭建基于所述子模块结构的MMC系统的仿真模型以及硬件平台,二者结果均表明所述结构具有良好的直流故障阻断能力。