计及焊料层疲劳累积效应的IGBT模块寿命评估

作为大功率变流器的关键单元,绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)的高可靠性是系统稳定运行的重要保证,准确的寿命评估是提高系统可靠性的有效手段之一。然而,目前器件寿命评估多忽略焊料层疲劳造成的热阻、热载荷增大效应,易高估器件寿命。针对该问题,该文提出计及焊料层疲劳累积效应的IGBT模块寿命评估模型,该模型考虑焊料层失效位置信息以及疲劳造成的热特性反馈效应。首先,基于IGBT模块三维电–热–力多物理场耦合模型分析不同焊料层疲劳对模块热响应影响的差异;其次,提出基于Cauer模型的考虑焊料层疲劳位置信息的热网络更新策略;然后,基于该策略建立适时更新热网络的计及焊料层疲劳对模块老化加速作用的寿命预测模型;最后,与现有寿命预测模型对比分析实际风速下风机变流器中IGBT模块的寿命评估。     

功率模块IGBT失效机理与寿命预测研究综述

功率模块IGBT作为全控型器件的代表,现已迅速扩展了其在各个领域的应用,根据相关调查研究发现,功率模块IGBT失效相对于其他部分更为突出。对IGBT的寿命进行预测对于评估电力系统可靠性具有重大的现实意义。本文通过总结综述了其主要的失效机理,分析其失效的原因,并通过不同的失效机理,对现有寿命预测模型进行解释说明,同时分析不同预测模型在实际使用中的优缺点及精确度。最后对于未来进行了展望。     

IGBT模块键合线失效研究

新能源技术的发展对功率变流装置的性能提出了更高的要求,IGBT模块作为变流器的核心器件,其可靠性受到了越来越广泛的重视。现有研究表明,恶劣的工作环境加速了器件的老化和失效,因此,深入研究IGBT模块的老化和失效机理是功率器件应用中需亟待解决的问题。以IGBT模块的键合线为研究对象,在建立IGBT模块电-热-力多场耦合模型的基础上,对正常工作和部分键合线脱落时的温度和剪切应力进行了综合分析,指出剪切力是键合线疲劳和失效的直接原因。最后,对比传统铝键合线模型,采用铜作为键合线材料,可以进一步提高模块的可靠性。本研究为进一步分析键合线疲劳,研究IGBT模块的失效形式和寿命提供了参考。     

基于加速老化试验的IGBT寿命预测模型研究

绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)在工作过程中经常要承受过热和较大的温度波动,当热损伤达到一定程度时,模块极有可能出现失效,这会给电力系统造成巨大的危害。如果能根据寿命预测模型提前预估模块的寿命,便可以在模块即将失效之前进行更换,从而避免模块突然失效带来的损失。因此,考虑在检测模块壳温的条件下进行IGBT的温度循环试验,研究工况中易获得的壳温与IGBT寿命的关系模型。在已有寿命模型的基础上,提出改进的寿命预测模型,经试验数据验证准确度更高。     

双馈风电变流器IGBT模块功率循环能力评估

为准确评估不同风况下双馈风电机组变流器的可靠性水平,提出一种机侧变流器IGBT模块的功率循环能力评估方法,并研究了风速对功率循环能力的影响。基于器件失效模型,建立机侧变流器IGBT模块的平均失效时间(MTTF)计算模型。结合变流器实时运行参数,建立机侧变流器IGBT模块结温计算模型,并分析湍流风速对结温波动的影响,进而提出基于雨流算法提取随机结温波动信息。根据提取的随机结温波动信息,结合风速统计特性,提出机侧变流器IGBT模块功率循环能力评估模型。最后,以某1.5 MW双馈风电机组机侧变流器IGBT模块为例,分析年平均风速及湍流强度对其功率循环能力的影响。分析结果表明:该变流器IGBT模块的MTTF其随着年平均风速及湍流强度的增大而减小;相比传统评估模型,所建立的评估模型更准确。     

基于壳温的IGBT模块键合引线疲劳寿命预测

为了研究功率循环下键合引线的疲劳寿命,提高IGBT模块的可靠性,文中提出了一种基于壳温的键合引线寿命预测方法。首先对IGBT模块进行功率循环测试,探究了键合引线的疲劳失效机理;然后建立IGBT模块的电—热—结构强耦合模型,分析了模块在功率循环载荷下的电、热、结构特性。依据键合引线的应变情况和实验测得的疲劳曲线,评估键合引线的疲劳寿命,并在壳温基础上建立了其寿命预测模型,对比测试结果验证了该模型的准确性;最后提出了铜键合引线的改进方案。根据易测量的壳温来确定键合引线的使用寿命,提前更换器件,能降低IGBT模块的故障率。     

IGBT功率模块加速老化方法综述

功率变流器的可靠性评估和寿命预测已经成为非常重要的研究课题。IGBT功率模块的大量使用在诸多领域里越来越广泛,它们的失效主要由热机械疲劳引起,而在正常工作运行时,这种疲劳老化过程很漫长。因此,为全面观察和探究功率模块的疲劳老化失效过程,需要设计加速老化试验以缩短研究周期。最普遍的老化试验方法是对器件施加热应力和电应力,对器件不断热冲击实现加速老化进程的目的。文中主要归纳分析了各种加速老化方法的目的和差别,并重点总结了功率循环加速老化方法在不同试验条件、失效方式、试验持续时间、试验电路设计、监测的电气参数和热参数等方面的不同,目的在于提出加速老化方法的一般步骤和需要考虑的问题。最后根据这些问题对加速老化方法的研究进行了展望,为IGBT功率模块乃至整个变流器系统的失效机理分析、可靠性分析、寿命预测、健康状态评估和状态监测的研究奠定了基础。     

车载牵引变流器关键部件寿命评估综述

牵引变流器被视为轨道交通列车的"心脏",为列车的运行提供强劲动力。但作为变流器实现电能变换的关键执行部件,绝缘栅双极晶体管IGBT (insulate-gate bipolar transistor)模块与电容性能受多变工况影响较大且较为脆弱,对列车安全运行带来极大挑战。现行的维护方案存在维修成本高、维修不及时的缺点,而以寿命评估为核心的更加经济安全的状态修被认为是未来修程修制的改革方向。为此,针对牵引变流器的关键部件—IGBT模块和电容的寿命评估方法进行调研和总结,根据现有寿命评估研究从数理统计出发,趋向于融合失效机理和统计建模,并朝着物理失效建模不断发展的思路,分别从基于故障数据、基于任务剖面、基于性能退化参数3个方面对寿命评估进行分类阐述,给出每种评估方法的流程,并对涉及的环节进行分析。最后,讨论了现有研究工作存在的问题,并展望了未来牵引变流器关键部件寿命评估的发展方向。     

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.     

基于电-热-机械应力多物理场的IGBT焊料层健康状态研究

绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块失效将导致功率变流器故障,而IGBT主要失效模式之一——焊料层疲劳则主要是由于温度分布不均匀和材料参数不匹配引起的热应力造成。因此研究IGBT模块温度-机械应力分布特性,对变流器安全评估尤其重要。基于所建立的IGBT功率模块电-热-机械应力多物理场模型,分析了IGBT模块稳态以及瞬态下的热-机械应力分布特性规律。基于论文提出的模型,针对IGBT焊料层疲劳失效,分析了焊料层空洞位置以及大小对功率模块热-机械应力的影响规律,结果表明焊料层热应力最大值出现在焊料层边角以及空洞边缘处,相同面积下拐角空洞更容易导致IGBT模块失效,而且芯片结温随着中心空洞半径增加而升高,当空洞率达到50%时,结温温升达到5.10℃,严重时将会导致模块失效。基于能量微分以及热应力理论,本文提出了基于温度梯度评估焊料层运行状况的方法,并从理论以及仿真模拟层面,验证了该方法的准确性,并分析了不同焊料层失效程度对温度梯度的影响规律,发现温度梯度变化规律与结温变化规律一致,且灵敏度高,具有可追踪故障点位置的优点。     

计及内部材料疲劳的压接型IGBT器件 可靠性建模与分析

大功率压接型IGBT器件更适合柔性直流输电装备应用工况,必然对压接型绝缘栅极晶体管（IGBT）器件可靠性评估提出要求。提出计及内部材料疲劳的压接型IGBT器件可靠性建模方法,首先,建立单芯片压接型IGBT器件电-热-机械多物理场仿真模型,通过实验验证IGBT仿真模型的有效性;其次,考虑器件内部各层材料的疲劳寿命,建立单芯片压接型IGBT器件可靠性模型,分析了单芯片器件各层材料薄弱点;最后针对多芯片压接型IGBT器件实际结构,建立多芯片压接型IGBT器件多物理场仿真模型,分析器件应力分布,并对各芯片及多芯片器件故障率进行计算。结果表明,压接型IGBT器件内部的温度、von Mises 应力分布不均,最大值分别位于IGBT芯片和发射极钼层接触的轮廓线边缘;多芯片器件内应力分布不均会导致各芯片可靠性有所差异,边角位置处芯片表面应力最大,可靠性最低。     

大功率IGBT模块结温提取研究

为了提高大功率功率变换器的可靠性,需要对大功率绝缘栅双极型晶体管(Insulated gate bipolar transistor,IGBT)模块进行温度监测,到目前为止,该领域对高压IGBT的研究很少。本文搭建了双脉冲实验平台,对4.5 kV、1.2 kA IGBT模块开关瞬态时的热敏感电参数进行了测量,并对每个参数是否适用在线结温提取以及预期成本进行了讨论。结果表明,大多数参数除温度外还强烈依赖于负载电流和母线电压,最合适的结温提取参数是准阈值电压和开通时集电极电流变化率,它们都可以通过IGBT的寄生电感来获取。     

基于神经网络的IGBT模块剩余使用寿命预测模型

对IGBT模块使用寿命进行预测是评估其健康状态和可靠性的有效手段。基于IGBT老化实验测量,构建了包括饱和压降和结温的二维IGBT状态检测指标。对于归一化后的数据,提出了分段处理方法,去除了IGBT键合线断裂引起的较大指标波动。以饱和压降和结温数据为基础,提出了基于BP神经网络算法的IGBT剩余寿命预测模型。针对同样本不同通道、不同实验条件样本等情况,验证了本模型在剩余寿命预测中的准确性。     

基于IGBT串联阀组的UPQC换流器带载实验方法

采用绝缘栅双极型晶体管(insulated-gate bipolar transistor,IGBT)串联阀组可使得统一电能质量控制器(unified power quality conditioner,UPQC)换流器结构紧凑,控制简单。其中串联IGBT的动态均压及换流器的带载实验方法是关键技术。采用有源电压箝位方法实现串联IGBT的动态均压,并采用以UPQC一侧换流器为电源、另一侧换流器为负载的方法,实现UPQC换流器的带载实验,验证基于IGBT串联阀组的换流器的有效性。     

A new ensemble-based classifier for IGBTopen-circuit fault diagnosis in three-phasePWM converter

Three-phase pulse width modulation converters using insulated gate bipolar transistors (IGBTs) have been widely used in industrial application. However, faults in IGBTs can severely affect the operation and safety of the power electronics equipment and loads. For ensuring system reliability, it is necessary to accurately detect IGBT faults accurately as soon as their occurrences. This paper proposes a diagnosis method based on data-driven theory. A novel randomized learning technology, namely extreme learning machine (ELM) is adopted into historical data learning. Ensemble classifier structure is used to improve diagnostic accuracy. Finally, time window is defined to illustrate the relevance between diagnostic accuracy and data sampling time. By this mean, an appropriate time window is achieved to guarantee a high accuracy with relatively short decision time. Compared to other traditional methods, ELM has a better classification performance. Simulation tests validate the proposed ELM ensemble diagnostic performance.     

大功率IGBT串联电压不平衡机制研究

随着电力电子技术及其应用的快速发展,高压大功率换流器的应用越来越多。大功率绝缘栅双极晶体管（insulationgatebipolartransistor,IGBT1串联是实现高压大功率自换相换流器的一个重要基础。大功率串联IGBT运行中,最难解决的是串联IGBT之间的电压不平衡问题。为推进高压大功率换流器的研究,对大功率串联IGBT中器件间的电压不平衡机制进行了系统的研究。根据IGBT阀在串联运行时的主要静态、动态过程,结合IGBT自身的特性,得出了影响产生串联IGBT电压不平衡的各个因素,并对各个元件间的电压不平衡度进行分析,为进行串联IGBT电压平衡化的控制打下基础。     

基于驱动信号同步的串联IGBT动态均压方法

为解决由驱动信号不同步引起的多个IGBT串联动态电压不均衡问题,以实现串联IGBT在大功率高电压场合的应用。在研究国内外多种IGBT动态串联均压技术的基础上,采用同步变压器和端电压钳位电路相结合以实现动态电压均衡,并对其工作原理进行了说明。然后运用Saber仿真软件,建立串联IGBT的动态均压仿真电路。仿真结果表明,动态均压电路在IGBT串联运行时不仅能够很好地抑制IGBT驱动信号不同步造成的动态电压不均衡,而且能够使开关瞬态的过电压≤10%,确保了串联IGBT的安全运行。     

对三电平IGBT变流器两种缓冲电路的研究

总结了三电平变流器的几种缓冲电路,分析了ＩＧＢＴ的失效特点,并进一步提出了两种应用于三电平ＩＧＢＴ变流器的新型缓冲电路。这两种缓冲电路有效地钳制了每个ＩＧＢＴ关断时的ｄｖ／ｄｔ和过电压。其中第１种缓冲电路最简单,没有内外ＩＧＢＴ电压不均现象。实验波形证实,这两种电路都是可行的。