IGBT加速老化实验研究

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)功率模块作为电力电子设备的关键器件被广泛应用,其工作寿命与可靠性将影响到整个装置或系统的正常运行,对于IGBT可靠性研究具有重要意义。IGBT加速老化实验是研究IGBT可靠性问题的重要方法,其在不改变产品故障机制的前提下,提高实验应力,加速产品的故障进程,能有效缩短实验时间,节约成本。分析了IGBT的失效机理,依据IEC标准,设计了IGBT直流功率循环加速老化实验,自行设计搭建了IGBT加速老化实验系统,能够完成器件的老化以及监测老化前后器件参数的变化。研究成果为IGBT模块的可靠性研究以及健康状态评估提供了重要依据。     

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。     

非平稳工况下风电变流器的热载荷分析

以双馈风力发电中的转子侧功率变流器(RSC)为例,通过发电系统的功率关系和发电机稳态等效电路,推导出RSC基波频率的表达式,然后根据变流器中功率元件IGBT模块的损耗和热模型,分析了风速波动,电网低电压穿越(LVRT)等各种非平稳工况对IGBT功率模块热载荷特性的影响。结果表明:风速固有的快速变化和难以预测特性导致转子侧功率变流器长时间处于非平稳工况。IGBT模块处理的功率波动剧烈从而引起结温也随之发生剧烈波动,电网暂态故障后的LVRT使得变流器瞬时工况更加复杂。长时间非平稳工况下的热冲击导致IGBT模块的可靠性下降。该研究方法和研究结论为风电功率变流器的容量评估及可靠性分析提供了依据。此外研究还表明,风机系统的大惯性特性减少了发电机输出功率的高频波动。     

基于曲线离散Fréchet距离的风电并网变流器中IGBT模块缺陷诊断方法

提出一种基于门极电压响应曲线Fréchet距离变化的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块缺陷诊断方法。在IGBT模块的失效过程中,部分门极杂散参数会发生变化,相应地门极电路的电压响应曲线也会发生变化。利用门极电压在开通时段响应曲线的离散Fréchet距离度量其相似性的变化,并以此作为参数辨识IGBT模块是否存在缺陷。与现有的故障诊断方法相比,其响应时间更充裕。针对典型的缺陷形式进行了实验研究,结果验证了该方法诊断结论的正确性。     

双频Buck变换器的交流小信号模型与控制策略

双频Buck变换器可以在提高输出性能的同时提高效率。由于其中存在两种不同的开关频率，因此其建模和控制策略的研究对实际应用有较强的实用价值。文中建立了双频Buck变换器的交流小信号模型，从频域的角度证明了双频Buck变换器具有与单个高频Buck变换器相同的输出性能。同时对双频Buck变换器的控制策略进行了分析讨论，分析结果表明：对高频开关可以采用常规的控制方式，但对低频开关应采用电流跟踪控制方式，否则低频单元不能正常工作。最后对高、低频单元均采用电流控制方式进行了实验研究，研究结果表明，双频Buck变换器具有与单个高频变换器相同的输出性能。     

一种改善DC-DC变换器动态性能的数字控制方式

针对低压大电流DC-DC变换器负载经常变化的特点,以动态过程输出电压超调量最小和调节时间最短为目的,提出了一种改善DC-DC变换器动态性能的数字控制方式。将变换器在负载变化时的暂态过程分为两个阶段,在每个阶段内对占空比进行直接设置,使开关处于一直导通或一直关断的状态,通过计算两个阶段转折点的输出电压并与采样电压比较以决定开关的状态。该控制方式在负载突变时和计算开关状态时间的最优控制方式有同样的性能,而算法的实时计算量却大幅降低。实验结果表明分段控制可以有效改善DC-DC变换器的动态性能。     

基于杂散参数辨识的IGBT模块内部缺陷诊断方法

为识别IGBT模块早期内部缺陷,增强其运行的可靠性,本文提出一种基于杂散参数辨识的IGBT模块内部缺陷的诊断方法。该方法利用最小二乘法辨识IGBT模块门极内部杂散参数因经受电、热老化而导致的变化,进而判断内部是否存在缺陷,及时制定维护措施,从而有效防止运行中突发失效及由此造成的设备损坏。与现有的故障诊断方法相比,其响应时间更充裕,实验研究结果验证了其诊断结论的正确性和实用性。     

具有恒功率特性的输出宽范围可调的变结构DC-DC变换器

针对直流测试电源等宽范围的应用场合,提出一种具有恒功率特性的输出宽范围可调的变结构DC-DC变换器,该变换器是对传统隔离型直流变换器的拓展,由多级可串并联输出的单元模块嵌套组成。详细阐述变换器的基本结构、工作原理和工作序列,研究恒功率控制策略和平滑切换控制策略及通用的系统模型。并以某级嵌套为例,进行实验研究和同类变换器的对比分析,结果验证了理论分析的正确性和可行性,以及该变换器在宽范围领域应用的优越性。     

基于零输入响应的Cauer型RC网络参数辨识方法

对于封闭的RC网络,其参数不能直接测量,需要根据端口响应辨识网络参数。但对于等效的RC网络,受实际条件限制,端口激励信号是随机变化的,其模型难以建立。提出了一种基于零输入响应的参数辨识方法。在不考虑激励信号的条件下,分析了RC网络参数和零输入响应条件下时间常数之间的关系,得出在一种工况下不能对参数进行辨识的结论。在此基础上,提出通过级联一阶RC网络,在不同的级联网络参数下得到关于待辨识网络参数的约束方程,根据两组不同的约束方程组可辨识出RC参数。以2阶待辨识的CauerⅠ型电网络为例进行了仿真和实验,结果表明所提方法可对Cauer型RC参数进行辨识。然后,将该方法应用在绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的Cauer热网络参数辨识中,也取得了较准确的辨识结果。