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.     

基于电热耦合模型的风电变流器IGBT结温特性研究

随着我国新能源电力的规模化开发,新能源发电系统(包括风电、光伏、生物质能、海浪等)装机容量不断增长,对新能源变流器的容量、效率和可靠性的要求也越来越高。研究风电变流器IGBT的结温有助于研究变流器的可靠性,为新能源安全运行提供了支持。目前,针对IGBT结温的计算主要是基于数据手册,损耗计算采用了热路模型或者场的方法,并且忽略了恶劣的运行环境以及IGBT不同工况故障带来的影响。针对其在不同运行工况下的结温特性问题,建立了IGBT功率模块的电热耦合模型,分析了在SPWM控制策略下IGBT功率模块结温特性的变化规律。仿真结果表明,在电网遇到的三相故障短路问题、开路问题以及高海拔地区风机恶劣的运行环境影响下,对IGBT的结温都会有很大的影响。     

双馈风机同步转速工况下变流器运行分析

以华北某风电场双馈机组在同步转速下变流器机侧绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)频繁失效为案例,通过仿真,研究双馈机组在同步转速点运行特性,分析此特性对变流器可能造成的影响,得出IGBT失效的真实原因为双馈风电机组的同步转速工况下变流器机侧IGBT模块发热较严重,芯片在很小电流情况下便超过耐受温度而失效.给出一种IGBT在同步转速下的最大出力的计算方法,并对比3款常见IGBT在此工况下不同出力.结合工程实际给出适用于变流器的处理方案为降低开关频率,使用较好散热材料或散热方式等来保证变流器在此工况下的正常运行.     

风电变流器IGBT散热性能研究

风电变流器设计中,IGBT的散热设计非常关键,介绍了一种适用于风电变流器工程应用的IGBI损耗的理论计算方法,并建立了准确的数学模型。针对风电变流器应用环境的差异性以及不同类型散热器的固有热阻属性,通过flotherm仿真软件搭建普通散热器与热管散热器的仿真模型,仿真对比了不同散热器散热能力的差异。最后,通过实验验证了该设计方法的合理性和实用性,为风电变流器IGBT散热器与散热系统设计提供了重要的参考依据。     

双馈风电机组变流器IGBT结温计算与稳态分析

针对双馈风电机组机侧变流器长期处于低频下运行导致故障率高的机理问题,提出其功率器件绝缘栅型双极性晶体管(IGBT)结温准确计算方法及其变化规律的研究。首先基于不同损耗分析方法,结合IGBT热网络,建立了IGBT结温计算模型,并对一个实际IGBT在不同结温计算方法下的稳态结温进行比较。其次,结合双馈风电机组运行特性,分别建立其全范围工况下机侧变流器IGBT的结温计算模型。最后,分析了双馈风电机组在不同风速下机侧变流器IGBT稳态结温变化规律及其影响因素。结果表明,基于开关周期损耗的结温计算方法更适合较低频率运行下IGBT结温的准确计算;双馈风电用机侧变流器IGBT稳态结温波动幅值随变流器输出频率的降低而增大。     

双馈抽水蓄能机组用中点箝位式三电平变流器损耗与结温分布

针对双馈抽水蓄能机组(DFPSU)运行工况转换频繁,分析不同运行工况下中点箝位式(NPC)三电平变流器功率器件损耗及结温分布。基于DFPSU运行特点,以机侧变流器单相桥臂功率模块为例,研究了不同运行工况下各个功率器件开关动作和电流通路,理论上分析了器件损耗分布不均现象;基于功率器件导通损耗和开关损耗计算模型,建立其热网络等效电路和结温计算模型,考虑DFPSU控制策略,并基于PLECS平台建立了NPC三电平变流器功率器件电热耦合仿真模型;对机组在发电、电动和调相运行工况下的器件损耗和结温分布进行仿真。理论分析与仿真结果表明,不同运行工况下器件损耗不同,变流器中间位置的主开关和箝位二极管的损耗和平均结温最大,且机组在同步转速点附近器件结温波动最大。     

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。     

MMC系统功率器件基频结温波动快速计算方法

将运行工况转换为器件上承受的热荷载是寿命耗损评估的关键,而寿命耗损评估的准确性受限于功率器件结温计算的速度和精确性。模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)系统桥臂电流具有与生俱来的直流偏置特性,使得子模块内部产生热不平衡。且长时间任务剖面下,较大的基频结温波动对子模块中IGBT模块寿命评估影响不容忽视。为此,文中提出一种考虑运行参数影响的基频结温波动快速解析计算方法。以1.3MVA MMC并网系统为例,通过实验平台测试了所用器件的动静态参数,建立精确的3D器件损耗模型,将所提的结温波动计算模型与时域电热仿真进行准确性对比,讨论不同运行参数对所提结温计算方法的影响。最后,基于所提方法对实际传输功率下网侧MMC子模块中IGBT模块基频结温波动进行计算,验证该方法有助于准确评估MMC中功率器件可靠性。     

计及焊层疲劳影响的风电变流器IGBT模块热分析及改进热网络模型

针对不同疲劳寿命时期对风电变流器绝缘栅双极型晶闸管(IGBT)模块结温的影响,分析焊层在不同脱落度下的IGBT模块热阻变化规律,并建立考虑热阻变化的改进热网络模型。首先,依据风电机组变流器IGBT模块的结构和材料属性,建立三维有限元热-结构耦合分析模型,对基板焊层和芯片焊层在不同脱落度下IGBT模块结温和热应力的分布规律进行仿真分析。其次,确定不同焊层脱落度下其热阻增量值,并建立IGBT模块改进热网络模型。最后,将三维有限元模型和改进热网络模型的结温计算结果进行对比分析,验证了所提的改进热网络模型的有效性。     

基于结温计算的换流阀可靠性分析

模块化多电平变流器(MMC)广泛应用于高压直流(HVDC)输电工程中,其中换流阀的可靠性成为柔直工程中关注的重点.而作为换流阀的核心器件,绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的可靠性成为换流阀可靠性研究的关键.在IGBT工作过程中,结温过高是其损坏的重要原因之一,因此有必要进一步研究影响IGBT结温的关键因素.在此首先基于温敏参数法,建立了IGBT的瞬态热阻抗模型,并分析了不同工况下热阻抗模型参数.其次,基于数值计算模型并考虑了环流成分,提出了更精确的换流阀核心器件IGBT在不同工况下损耗的理论计算方法.接着,基于热网络法阐释了IGBT结温的计算方法.最后,根据提出的损耗和结温计算方法,并基于实际工程,计算并分析了在不同工况下MMC换流阀中IGBT的损耗和结温.     

低压变频器功率单元温度波动问题研究

为了更好地在设计和运行中使强迫风冷式低压变频器和负荷相匹配,针对影响变频器寿命的IGBT芯片的温度波动问题,在变频器功率模块热路模型基础上运用非稳态传热理论研究。结合脉宽调制特点讨论典型功耗热源的产生和计算,以及周期负荷对功率模块其他部件和芯片的不同热效应及计算。基于热膨胀原理研究芯片温度波动与变频器寿命的关系。通过研究得出温度波动与功耗脉冲周期的关系,以及作为温度波动的主要影响区段,在变频器低输出频率区间如何计算以实施降低输出电流、开关频率等应对温度波动的措施。     

高速列车牵引变流器冷却系统散热特性研究

在分析CRH3型高速列车牵引变流器冷却系统结构与工作原理的基础上,根据冷却系统热交换器实物尺寸、冷却液实际流速等参数,应用ANSYS有限元分析软件建立了牵引变流器冷却系统热交换器模型,并设置相应仿真边界条件,由ANSYS／FLOTRAN解析出热交换器的流场和温度场分布情况。通过对分析结果的后处理,计算得出了冷却系统热交换器的散热功率,其结果与牵引变流器功率损耗参数基本相符,验证了仿真分析的正确性。仿真分析结果有助于对高速列车牵引变流器冷却系统散热能力的评估,及冷却系统热交换器结构设计的改进,为进一步提高高速列车牵引变流器冷却系统的散热能力提供了理论依据;     

牵引变流器中6 500 V场终止IGBT的物理场仿真研究

绝缘栅双极性晶体管IGBT(insulated gate bipolar transistor)凭借其优异的载流和抗压能力,在牵引变流器中得到了广泛的应用。通过仿真研究了解其动态特性,对于保障其自身和系统的运行稳定性和可靠性具有重要意义。针对牵引变流器用大功率IGBT封装模块,在分析IGBT工作原理和特性的基础上,充分考虑其静态特性、动态特性以及封装寄生参数影响,结合寄生参数提取矩量法和IGBT动态模型等效电路分析法,建立了精确的IGBT封装电路模型,并通过仿真测试分析对模型进行了验证。此外,以牵引变流器中的整流器电路为例,依据IGBT封装精确电路,构建了更为详细的整流器精确电路模型。仿真结果表明,精确电路模型比理想电路仿真输出能够更加准确地突出系统的高频信息,这对于针对含有大功率IGBT器件系统开展损耗计算、电磁兼容性分析以及风险评估等极具参考价值。     

基于等效电导率的压接型IGBT器件温度场仿真

压接型封装全控器件由于其具有无焊点、无引线、双面散热的特点,逐渐在大容量换流器中得到了广泛的应用,其可靠性以及寿命预测也引起了学术界和工业界的关注。本文提出了一种基于等效电导率的压接型绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)器件温度场有限元仿真方法,直接反映了压接型IGBT器件内部芯片发热功率随温度变化的特性,进一步提高了温度场仿真的准确性,为模块可靠性分析和寿命预测建立了仿真计算基础。此外,对某型号压接型IGBT器件进行MMC工况下的温度场仿真,得到了该工况下模块内部温度分布情况。     

基于电-热耦合模型的IGBT模块结温计算方法

温度循环下的疲劳累计损伤是IGBT模块失效的主要原因,计算IGBT模块的结温对预测其寿命具有重要意义。为了研究IGBT模块工作过程中结温变化情况,首先通过计算IGBT和FWD的功率损耗建立了IGBT模块电模型,然后在分析IGBT模块热传导方式的基础上建立了IGBT模块热模型,进而基于电模型和热模型建立了IGBT模块的电-热耦合模型,最后以三相桥式逆变器为例对IGBT和FWD的结温进行了仿真分析。结果表明,由于IGBT和FWD处于开关状态,两者的结温波形均呈波动形状,且波动均值经过短时间上升后稳定于一恒定值,所以逆变器用IGBT模块开始工作后经短时间的热量积累最终达到热稳定状态;由于IGBT的开关损耗比FWD大,使得IGBT结温受开关频率的影响较大。     

Temperature protection of frequency converter based on dynamic thermal model of IGBT module

A procedure enabling the calculation of the chip temperature of an IGBT module operating as a component of a frequency converter is presented. The procedure is based on information regarding the inverter’s instantaneous output currents, input voltage, and control signals vector. The heat model of the IGBT module that enables one to calculate the instantaneous temperatures of a chip in real time is examined. Thermal protection based on the heat model is also examined. The results of simulation, full-scale experimentation, and commercial introduction are given.     

电压源换流器型直流输电换流器损耗分析

电压源换流器型直流输电(voltage source converter based HVDC,VSC-HVDC)应用于大容量功率传输的主要障碍之一是其相对较高的换流器损耗。因而,换流器损耗的准确计算对系统设计、器件参数及冷却装置的选择非常重要。通过分析换流器IGBT器件的开关特性,同时考虑结温、死区效应的影响,提出一种基于曲线拟合理论的通用换流器损耗计算方法。该方法能够有效利用厂家提供的器件特性参数,适合于实际工程应用。在此基础上,分析了正弦脉宽和最小开关PWM两种调制方式下的换流器损耗特性,建立了基于PSCAD/EMTDC的通用的损耗计算模块。     

面向Si/SiC混合器件逆变器全寿命周期安全工作区的多开关模式主动切换策略

基于硅基绝缘栅双极型晶体管(Si IGBT)和碳化硅金属氧化物半导体场效应管(SiC MOSFET)的Si IGBT/SiC MOSFET混合器件采用多开关模式切换策略可使变换器具备应对复杂工况的能力,然而现有切换策略并未考虑器件疲劳老化对模式切换阈值电流的影响,在混合器件老化进程后期极有可能造成器件热失效,进而严重威胁变换器的可靠运行。基于此,提出了一种面向Si/SiC混合器件逆变器全寿命周期安全工作区的多开关模式主动切换策略。基于器件疲劳老化对逆变器最大安全运行电流的影响规律,设计了考虑老化进程的逆变器安全工作区刻画流程。根据安全工作区刻画结果,提出了适用于混合器件全寿命周期的多开关模式主动切换策略。实验结果表明,该策略能够针对混合器件不同老化程度来动态调整开关模式切换阈值电流,从而在器件全寿命周期内保障逆变器的运行可靠性。     

继电保护设备元器件温度仿真分析与寿命评估

针对继电保护设备热设计阶段定量分析手段不足的问题,开展设备高热损元器件温度仿真分析及寿命评估。首先分析了继电保护设备的结构特征及散热机理,提出了继电保护设备机箱及板卡热仿真精细化建模方法,并基于Icepak软件建立了典型继电保护设备有限元仿真模型。然后通过改变继电保护设备有限元模型的仿真参数,仿真计算了不同环境温度、不同散热措施下各板卡高热损元器件工作温度,定量分析了高热损元器件温度变化情况。在此基础上,提出了基于继电保护设备温度分布特性及阿伦尼乌斯方程的高热损元器件寿命评估方法,揭示了设备运行环境温度对元器件寿命及可靠性的影响规律。得到的元器件温度特性及寿命分析结果,可为继电保护设备开展热设计及优化提供数据与理论依据。     

变频器中的IGBT模块损耗计算及散热系统设计

提出了一种设计变频器散热系统的实用方法,建立了比较准确且实用的变频器中IGBT(绝缘栅型双极晶体管)模块的通态损耗和开关损耗的计算方法,考虑了温度对各种损耗的影响,采用热阻等效电路法推导得出了散热器及功率器件各点温度的计算公式,并给出了散热器热阻的实用计算公式.在此基础上设计了一套采用强迫风冷的散热系统,计算结果与试验结果的对比,验证了该设计方法的合理性与实用性.