模块化多电平换流器IGBT模块失效机理和状态监测研究综述

全控型绝缘栅双极晶体管(insulated gated bipolar transistor, IGBT)模块作为模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)的核心功率器件,其失效机理研究和状态监测技术对保证MMC的运行可靠性具有重要意义。IGBT模块劣化引起的运行参数失真和内部结构异常将严重影响MMC的工作性能。目前IGBT模块状态监测综述较多,但缺乏对MMC中IGBT模块状态监测的相关总结。首先分析了MMC的结构特性与工作原理。然后根据焊接式和压接式两种类型IGBT的失效机理,总结了IGBT模块的状态监测技术,并补充了MMC子模块中IGBT模块的状态监测方法并进行分析。最后针对目前研究中存在的不足,结合当下的研究现状,展望了未来柔性直流输电系统中IGBT模块状态监测与评估的研究方向。     

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。     

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。     

IGBT模块寿命评估研究综述

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是电力电子系统实现电能变换与控制的核心组件之一.然而,工业界反馈的数据表明,应用于高可靠性场合的IGBT模块可靠性并不高,其热疲劳失效将会导致整个系统的非计划停机.对IGBT模块的预期使用寿命进行评估,将有助于指导电力电子装置的定期维修,降低经济损失.相关研究表明,IGBT模块的失效和温度...     

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...     

IGBT模块寿命预测模型综述

在风力发电、柔性交流输电以及电机牵引和航空中等应用的变流器系统失效中,IGBT的失效所占比重较大。因此,相继提出了一些IGBT寿命预测的模型以研究其可靠性。为给系统可靠性设计者以及终端用户提供更多变流器中IGBT模块的寿命信息,文中综述了IGBT寿命预测模型的发展与研究现状。根据建模方法的不同,寿命模型可分为解析模型和物理模型两大类。文中对不同模型的建模依据分别做出了说明,在分析IGBT常见失效机理的基础上,对比分析了各模型在实际应用中的精确度、通用性与局限性。同时,介绍了加速老化试验对寿命预测模型的影响。最后,讨论了IGBT模块寿命预测模型的挑战与发展趋势。     

基于热时间常数的IGBT模块热疲劳老化监测方法

提出利用热时间常数作为新的特征量,实现了对IGBT模块和导热硅脂的热疲劳老化进程的同步监测。通过研究热时间常数与Cauer型热网络参数的关系,建立了热时间常数与IGBT模块物理结构间的联系,总结出热时间常数在IGBT模块热疲劳老化过程中的变化规律。最后,通过3-D有限元仿真模型和实验验证了该方法对监测IGBT模块和导热硅脂热疲劳老化的有效性。该方法的显著优势在于可以仅通过1条结温降温曲线提取热时间常数,且不需要任何损耗信息或加热模块至热平衡状态。     

基于ANSYS的IGBT模块健康状态研究

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块的老化失效会对电力电子系统的可靠性造成不良影响,其中键合线疲劳是IGBT模块老化失效的主要原因之一.为探究键合线疲劳对IGBT模块的影响,通过ANSYS有限元仿真,定量分析键合线脱落与IGBT模块健康状态之间的联系,结果表明键合线脱落不仅会使IGBT模块的结温升高,键合线受到的热应力增...     

IGBT模块的热设计概述

对IGBT模块的热特性和热设计进行概述,介绍IGBT模块的热阻抗网络模型及其与封装材料热性能及尺寸的关系;从芯片和模块封装材料、结构等方面讨论模块的热设计要点,并阐述传统IGBT模块及新型压接式IGBT模块的热设计。     

IGBT模块的热设计概述

对IGBT模块的热特性和热设计进行概述,介绍IGBT模块的热阻抗网络模型及其与封装材料热性能及尺寸的关系;从芯片和模块封装材料、结构等方面讨论模块的热设计要点,并阐述传统IGBT模块及新型压接式IGBT模块的热设计。     

IGBT动态过电压失效的研究

绝缘栅型双极晶体管（IGBT）过电压击穿是一种常见的失效形式。由于电路中存在杂散电感,关断时会产生瞬间的高电压而引起动态雪崩击穿。通常误认为发生雪崩击穿是造成IGBT过压失效的根本原因。针对此问题,基于IGBT基本结构和PN结雪崩击穿原理,利用SilvacO软件仿真IGBT正向阻断以及关断瞬态时的电流密度分布,并从能量的角度深入分析得出过电压击穿的本质是结温过高引起的热失效,并从理论上给出了几种改进措施,为IGBT的正确使用与工艺改进提供理论参考。     

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功率模块热网络模型建立及其参数辨识方法综述和展望

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为功率变流器的核心器件,其可靠性受到广泛重视。而结温过高或者温度波动过高是导致功率器件失效的主要因素,故实时精确地监测IGBT模块结温对于提高其可靠性具有重要意义。通过建立热网络模型,然后对其电路进行仿真可获取结温,该方法因简单易行且可实现对结温的在线监测从而得到广泛应用。对现有的热网络模型进行了总结和归纳,并根据模型结构将其分为一维、二维和三维三类。然后,对近年来热网络模型的参数辨识方法的研究情况进行探讨,并对各个方法进行了比较和评价。在此基础上,对未来新的热网络模型和模型参数辨识方法的研究方向进行了展望。     

IGBT模块寿命预测方法研究综述

绝缘栅双极型晶体管IGBT(insulated gate bipolar transistor)模块在高压大功率电能转换领域具有广泛应用,在这些领域人们对IGBT模块可靠性提出了更高的要求。首先归纳预测了IGBT模块及其模块市场规模与需求。然后从寿命预测机理角度,将IGBT模块预测方法归类为基于模型的预测方法和数据驱动的预测方法两大类,对每类的研究现状、基本原理、预测过程实施、适用范围和优缺点进行了分析、总结与归纳。最后统计分析了近十年研究成果,并讨论了IGBT模块寿命预测方法发展趋势。     

高压大功率IGBT器件温度系数校准方法研究

结温的准确测量对于功率IGBT器件状态监测和可靠性评估具有重要意义,小电流下饱和压降法作为使用最广泛的结温测量方法被各类测试标准推荐使用,温度系数校准是使用该方法的第一步,也是结温测量的基础.传统的温度系数校准方法对于高压大功率IGBT器件存在适用性和准确性的问题.首先,深入讨论和对比了目前常用的2种温度系数校准系统的...