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。     

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。     

IGBT的加速老化试验方法研究

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为新能源发电转换系统的核心器件,其可靠性直接影响系统的安全运行,因此,研究IGBT可靠性对提高系统的稳定性具有重要意义。如何有效地开展IGBT加速老化试验问题是研究其可靠性的基础。基于此,这里采用多物理场建模方法对比分析了不同控制策略下功率器件老化特征参数的灵敏性,得到在恒壳温差的控制策略下结温上升了21.5℃。最后,根据该控制策略建立加速老化试验平台,证明了控制策略的有效性。因此,采用恒壳温差的加速老化试验更利于研究IGBT失效机理。     

纳米银烧结压接封装IGBT的长期可靠性研究

高压大功率压接型绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistors,IGBT)器件是柔性直流输电系统大容量换流阀的关键部件,其可靠性直接影响电力装备和输电系统的安全稳定运行。压接结构导致IGBT器件组件界面间电热接触性能不佳,研究人员利用纳米银焊膏开发出烧结封装IGBT以期克服对应问题,但其长期可靠性尚未得到验证。该文以国产3.3k V/50A单芯片银烧结压接封装IGBT器件为研究对象,建立直流加速老化实验平台以考核银烧结封装对国产压接IGBT器件的长期可靠性影响。然后,开展国产压接封装IGBT的功率循环加速老化实验,分析烧结封装IGBT器件的失效结果并与全压力封装IGBT器件实验结果进行对比。最后,分析烧结封装IGBT纳米银焊料熔融的原因并探究IGBT器件失效瞬间导通电压急剧上升的原因,获取银烧结压接封装IGBT器件的性能优势及潜在缺陷。实验结果表明,银烧结封装可以降低压接型IGBT器件的导通电压和通态损耗,减缓IGBT芯片与发射极钼层间的接触磨损,提升器件使用寿命。     

周期瞬态工况下IGBT交流加速老化方法研究

针对以往直流加速老化方法不能复现周期瞬态工况下IGBT工作特性的情况,提出一种对处于周期瞬态工况下H桥级联的IGBT模块进行交流加速老化的方法。首先对周期瞬态工况下的H桥级联拓扑进行分析,然后对PWM控制下的单相全桥IGBT损耗进行建模及分析,并且将直流加速老化和交流加速老化过程中功率模块的结温波动进行了对比分析,依据IGBT常用的寿命解析模型Lesit模型以及仿真结果说明等效全桥电路的合理性。最后设计并搭建了交流加速老化实验平台并与原始H桥级联电路仿真结果进行了对比分析。说明该交流加速老化方法可以为研究特殊工况下的IGBT可靠性提供一种新思路。     

基于半直接耦合的压接型IGBT模块功率循环仿真方法

功率循环实验是一种基于加速老化思想的寿命分析实验和可靠性研究方法,在大容量电力电子器件可靠性研究中具有关键作用。本文提出了一种基于半直接电热耦合的压接型IGBT模块功率循环仿真方法,建立了电热耦合稳态以及瞬态模型,根据芯片损耗推导芯片等效电导率,并且利用等效电导率的方法进行载荷设置,通过ANSYS软件仿真得到了功率循环过程中压接型IGBT模块的内部温度分布以及温度随时间变化的结果。该方法有效减少了瞬态直接耦合带来的巨大计算量,避免了迭代不收敛的问题,对于功率模块可靠性研究和寿命预测具有一定的理论指导作用。     

基于GARCH模型的IGBT寿命预测

绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)在新能源并网、电力传输等领域中得到了广泛应用,其可靠性引起了人们关注和重视。针对IGBT模块的可靠性分析和剩余使用寿命问题,文中提出一种利用加速老化数据对IGBT模块老化模型建立方法,并利用建立的老化模型对IGBT模块的剩余使用寿命进行预测。首先介绍IGBT的失效机理,结合现有的加速老化数据,确定的以集电极-发射极通态压降作为剩余使用寿命预测依据。建立基于GARCH模型的IGBT老化寿命模型,通过3组IGBT模块加速老化数据对剩余寿命预测,验证所提方法的有效性。     

功率谱密度分析在IGBT模块缺陷诊断中的应用

目前,绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块逐渐成为电力电子装置中的主导器件,及早发现其内部缺陷,是避免突发故障的关键举措之一,对增强电力电子装置运行可靠性具有重要意义。为此,提出一种基于门极充电初始阶段电压信号功率谱密度分析的IGBT模块内部缺陷识别方法。该方法建立在IGBT模块运行过程中因经受电、热应力累积而导致门极寄生参数变化的基础上,通过分析门极电压信号功率谱密度的变化,来判断模块内部是否存在缺陷。实验结果验证了其诊断结论的正确性和实用性。     

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.     

IGBT模块栅氧老化机理分析与表征方法研究

绝缘栅双极型晶体管IGBT（insulated gate bipolar transistor）作为电力电子系统的核心器件,广泛应用于新能源发电、轨道机车牵引、电动汽车驱动以及航空航天等重要领域。栅氧层作为IGBT中相对薄弱的环节,如何准确地预测IGBT栅氧层老化状态成为学术界和工业界的研究热点。首先,分析IGBT栅氧层老化机理以及栅氧层老化对IGBT关断过程的影响,提出关断延迟时间td(off)作为IGBT栅氧层老化状态的状态参数。其次,建立IGBT栅氧层老化仿真模型,并对td(off)表征IGBT栅氧层老化状态进行仿真分析。最后,搭建了双脉冲实验平台,获得了栅氧层老化影响IGBT功率模块相关电气参数的实验结果,并与仿真结果进行了比较验证。实验结果证明td(off)可以有效地表征IGBT栅氧层老化状态。该研究对电力电子器件和装置的运行维护与状态预测具有重要的应用价值。     

220 kV变电站10 kV直供负荷的改善措施及其经济分析

为了协调220 kV与110 kV变电站布点关系,结合某省220 kV变电站三卷变压器10 kV低压侧直接向负荷供电（简称直供）的实际情况,对全省220 kV变电站进行统计分析,研究其直接供电的现状及运行中反映的问题,并有针对性地从技术和经济层面提出解决办法：对10 kV直供负荷供电时,将配电网规划和10 kV直供负荷相结合,优化配电网的结构,合理利用220 kV变电站的容量,由220 kV变电站向周边10 kV负荷系统直接供电,在确保供电可靠性的情况下,控制10 kV线路的送电距离。以上措施可挖掘现有电网的供电潜能,降低线路损耗,使电网布局更趋合理。     

智能变电站中高频开关电源技术应用

高频开关电源因其性能可靠、体积小、效率高等优点,已广泛应用于智能变电站直流系统中,为变电站安全、可靠运行提供保障。首先简单介绍了交直流一体化电源系统,然后分别对直流充电模块、通信电源模块、UPS电源模块作了详细分析,重点研究了高频开关电源的N+1冗余技术和均流技术。通过研究发现,这2种技术的应用提高了高频开关电源模块的可靠性。高频开关电源能够满足智能变电站对直流系统可靠性的要求。     

基于先验方差的发电机惯量辨识数据质量评估

发电机惯量是电力系统频率特性分析与在线应用的重要参数。基于发电机正常运行时机端有功功率和频率的类噪声信号可对发电机惯量进行实时辨识。然而实测数据质量存在的缺陷,导致现有算法对实测数据辨识效果较差。为解决该问题,本文以谱分析与系统辨识理论为基础,通过参考系统估计、模型参数方差估计、惯量方差估计三个步骤,建立惯量辨识结果的先验方差统计量,在进行辨识前对类噪声数据段进行评价和筛选,提升了惯量辨识的准确度。基于仿真数据和实测数据的数据评估筛选结果验证了本文提出方法的有效性。结果表明,先验方差较小的数据段,惯量辨识的准确度较高。     

基于暂态相关性分析的小电流接地故障选线方法

小电流接地系统发生单相接地故障时,接地点产生的暂态故障电流包含了整个系统中全部的暂态故障电流特征量。非故障线路的三相暂态电流主要表现为对地电容电流,考虑到系统中存在的电感影响,健全线路中的两相电流差非常小,且波形与自身的暂态零序电流明显不相关,而故障线路的两相电流差与其暂态零序电流表现出明显的相关性。利用这一特征,首先对母线电压进行小波变换,通过三相近似系数比例AR检测配电网是否发生了单相接地故障,并找出故障相;然后,运用相关性分析比较各条线路的两相电流差与零序电流的相关性,能够正确地选出故障线路,文章通过MATLAB/SIMULINK建模,验证了该方法的正确性。     

East China Market in Dire Need of Three Major Breakthroughs

Since started as a pilot project of regional power marketin June, 2003, East China power market has been actively andsteadily progressing, and has promulgated in succession amarket establishing program, market operating rules andspecifications for the functions of technical support systems.The technical support systems have been built up by stagesincluding the master station system in East China region and     

12th International Conference on Electronic Measurement & Instruments(ICEMI'2015)

正Qingdao,China 7.16-19,2015 The International Conference on Electronic MeasurementInstruments(ICEMI)is the world's premier conference dedicated to the electronic measurement and test of devices,boards and systems that is covering the complete cycle from design,verification,test,diagnosis,failure analysis and process of manufactory and products     

微电网概率性最优的储能容量研究

针对可再生能源发电受外界环境影响较大、难以控制,接入微电网后对其安全运行带来很大挑战的问题,指出在微电网中接入储能装置可有效地解决此问题;研究了微电网孤岛运行时储能容量的确定方法,提出了一种概率性最优的储能容量确定方法：计算了微电网调度出力与负荷需求的功率差额,并根据其概率函数密度曲线确定储能系统的最大充放电功率;根据储能系统不同时刻其充、放电量累计值的概率函数密度曲线,求出其最优储能容量,使电网能实现经济效益最优和可再生能源利用率最大。采用该方法确定微电网储能容量,具有求解方法简捷、所需储能容量小的特点。     

1 000 kV特高压南阳站3/2主接线不平衡环流分析

特高压变电站1 000 kV系统采用3/2主接线,由于导电主回路电阻不平衡度较大及特高压变电站输送容量大,导致3/2主接线系统存在较大幅值的不平衡环流,极端情况下个别断路器相电流有过零甚至反相现象。结合特高压南阳站,从理论上分析不平衡环流中零序分量及其产生原因;论述了大负荷运行期间零序环流给站内二次系统带来的显著问题和严重后果;提出保护装置采用两断路器合流、单断路器最小相电流制动零序电流元件和两断路器合流制动单断路器零序电流元件的几种解决方案。以期后续交流特高压工程对此有足够的重视,供设计、施工和运行维护借鉴。     

基于改进动态灵敏度的配电网无功优化规划

目前配电网无功优化规划多采用网损灵敏度分析等方法来确定配电网候选无功补偿点,可能选择虚假高灵敏度节点,选点分布较集中。提出一种基于改进动态灵敏度选点的配电网无功优化方法,对灵敏度和负荷阻抗矩进行修正结合并进行层次聚类,避免选择虚假高灵敏度节点,使得选点分布均匀。通过实例仿真分析,验证了该方法的有效性,并对几种灵敏度选点方法进行了比较研究,得出了一些有益的结论。     

智能变电站电缆局部放电在线监测系统的研究

介绍了一种遵从于IEC 61850通信规约的智能变电站电缆局部放电在线监测系统。首先分析了电缆局部放电的检测原理及检测方法;然后设计了基于光纤同步触发和组网的监测硬件系统,以及基于用户数据报协议（user datagram protocol,UDP）和生产者/消费者模式的高速采集,并经过专家系统判别分析后能将监测结果通过IEC 61850规约实现共享的软件系统。最后用2种不同电极结构的局部放电类型,通过模拟实验对监测系统进行了检验。结果显示设备运行良好,监控平台能够准确地监视局部放电信号,能够识别出放电类型,并能通过IEC 61850通信规约将监测结果共享。