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。     

基于MOSFET外特性参量的自适应模糊神经网络状态评估模型

焊料层疲劳脱落是功率器件主要的失效形式之一,准确的焊料层失效评估方法对提高系统可靠性尤其重要。本文以广泛应用于电力电子系统的MOSFET为研究对象,在驱动电压一定的条件下建立以导通电阻、壳温及电流为主特征参量的功率器件健康状态评估模型。首先,以器件的电-热多场耦合模型为基础研究不同健康状态时功率器件的电、热特性;然后,对比分析不同特征参量对焊料层疲劳响应的灵敏性,结果表明在相同工况下导通电阻增量的灵敏性更优;最后,以特征参量间的泛在关系为基础开展状态评估研究,同时引入导通电流、壳温来表征工况,建立基于自适应神经模糊推理系统(ANFIS)的考虑器件运行状态的健康状态评估模型,预测器件老化率,划分健康状态等级区间,实现对器件运行状态的有效预测、评估。该评估方法监测数据提取较为容易,准确度高,并易于工程实现,能对器件正确合理使用、状态检修等工程实际应用提供指导。     

基于性能退化的电力电子器件寿命评估

针对目前的寿命评估方法不能满足高可靠、长寿命以及多故障模式竞争的电力电子器件寿命评估需求,提出了基于性能退化的电力电子器件寿命评估方法。通过收集电力电子器件的性能退化数据,建立其性能退化模型和寿命分布模型,给出性能退化模型和寿命分布模型的模型参数估计、模型拟合优度检验以及模型优选方法。考虑到电力电子器件具有多个性能参数的退化,提出电力电子器件竞争失效模型,实现对高可靠、长寿命以及多故障模式竞争的电力电子器件寿命快速评估。以某型绝缘栅双极型晶体管为例开展寿命评估,评估结果和试验结果差距较小,验证了该方法具有良好的准确性和有效性。     

基于性能退化的电力电子器件寿命评估

针对目前的寿命评估方法不能满足高可靠、长寿命以及多故障模式竞争的电力电子器件寿命评估需求,提出了基于性能退化的电力电子器件寿命评估方法。通过收集电力电子器件的性能退化数据,建立其性能退化模型和寿命分布模型,给出性能退化模型和寿命分布模型的模型参数估计、模型拟合优度检验以及模型优选方法。考虑到电力电子器件具有多个性能参数的退化,提出电力电子器件竞争失效模型,实现对高可靠、长寿命以及多故障模式竞争的电力电子器件寿命快速评估。以某型绝缘栅双极型晶体管为例开展寿命评估,评估结果和试验结果差距较小,验证了该方法具有良好的准确性和有效性。     

基于失效物理的功率器件疲劳失效机理

在功率器件的长期运行中,不断承受的温度和应力变化,加快了材料的疲劳失效。此外,新能源技术的发展对电力电子变流器的功率密度也提出了越来越高的要求,这些都给高可靠性功率器件的设计提出了新的挑战。失效物理(PoF)是在分析失效过程和疲劳机理的基础上,通过建模和仿真预测可靠性的一种方法,是研究疲劳失效的重要手段。本文首先介绍疲劳失效的基础理论。然后,从实验、仿真方法、解析模型和疲劳方式等方面介绍功率器件键合线和焊料层疲劳机理及主要研究进展,在此基础上,分析功率循环下功率器件的疲劳至失效全过程。最后,从多环境应力、动态载荷工况和可靠性设计三个方面,展望基于失效物理的电力电子可靠性研究方向。     

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。     

复杂应力条件下 MEMS 加速度传感器可靠性分析

针对 MEMS 加速度传感器在复杂应力条件下潜在的疲劳失效与断裂失效问题,提出了一种基于全概率公式的可靠性 评估模型,完成了器件在振动环境、冲击环境以及振动-冲击耦合环境下的可靠性建模。 模型包含 Wiener 过程和齐次泊松随机 过程,分别描述器件在振动环境中的疲劳损伤以及器件遭受的随机冲击,进一步考虑了随机冲击的幅值大小对器件退化率的影 响。 通过器件在冲击应力下产生的疲劳损伤突增量,反映多失效模式间的相关性。 对比分析了振动-冲击相互独立与相互耦合 作用的可靠性模型,结果表明,振动-冲击相互耦合作用的可靠性模型评估结果更具有指导意义。     

大容量电力电子器件结温提取原理综述及展望

电力生产、传输和消费方式的变革对大容量电力电子装备的可靠性提出了更高的要求。温度诱发的器件失效是电力电子系统失效的主要原因。因此,对器件结温的精确提取是大功率电力变换装备的寿命预测、健康管理和可靠性评估的基础。该文概述大容量电力电子器件结温提取原理和相关技术的最新进展,梳理现有器件结温检测技术的分类方法和主要特点,特别是对热敏感电参数提取方法的工作原理、典型特征进行总结和归纳,并从线性度、灵敏度、泛化度等指标对结温提取方法进行初步评估。在此基础上展望大容量电力电子器件结温提取的未来研究方向。     

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。     

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模块的失效和温度关系密切,因此该文从热特性角度阐述IGBT模块的寿命评估.具体涉及热疲劳失效机理、热网络的建立与应用、热参数的辨识与监测、结温的估算及用于寿命预测的失效物理和解析模型五个方面.最后总结了现有研究存在的难点,并对IGBT模块的寿命评估研究发展方向进行了展望.     

大规模储能系统发展现状及示范应用

随着储能技术的飞速发展,大规模储能系统已经成为保证电力系统可靠供电的一个重要手段。介绍了储能技术的类别及其在电力系统中的作用,并阐述了其在电力系统中的应用研究现状和目前的主要示范应用实例,论述了储能技术未来发展趋势。     

锅炉停用保护剂对水汽氢电导率的影响研究

电站锅炉停用保护剂多采用十八胺和表面活性胺。对这2种停用保护剂进行了应用效果对比研究,即对湿冷机组、空冷机组采用十八胺或表面活性胺、有无凝结水精处理系统等6台机组停机和启动过程中给水、主蒸汽和凝结水的氢电导率变化情况进行分析。研究结果表明：在停机过程和启动过程,2种保护剂均会在水汽系统中发生部分分解,导致水汽系统的氢电导率显著升高;表面活性胺和十八胺比较,使用前者,机组启停机过程可保持凝结水精处理系统正常投运,因而可使水汽质量迅速达标,对机组安全运行有利,因此推荐采用表面活性胺作为锅炉停用保护剂。     

1 000 kV皖南-浙北特高压线路工频参数测试干扰及结果分析

特高压线路工频参数测试干扰分析是选择适合工频参数测试方法及测试结果分析的重要基础。测试了1 000 kV皖南-浙北特高压线路正序和零序参数测试期间的干扰电压信号,分析了其频谱特征;在此基础上,通过与正序参数仿真计算值的对比分析了正序参数实际测试偏差。结果表明：皖南-浙北特高压同塔双回线路工频参数测试期间,干扰电压存在“三相不平衡性及时变性”的特点;工频法和异频法2种不同方法得到的线路参数测试结果存在一定差异;干扰电压“时变”时,线路工频参数测试宜采用异频法。     

ICEMI' 2015征文通知（英文）

正Qingdao,China7.16-19,2015The 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     

基于电流变化率的准恒频滞环电流控制方法

针对滞环电流控制存在的开关频率不固定,设计输出滤波器困难的缺点,通过对开关频率与滞环环宽关系的分析,提出了一种根据电流变化率调节环宽的准恒频滞环电流控制方法。控制方法根据电流变化率来实时调节滞环控制的环宽,实现开关频率的恒定;具有响应速度快和稳定性好的优点,同时克服了滞环电流控制开关频率不固定的缺点;较已有方法计算量小,不依赖于系统参数,容易实现,并通过理论推导和仿真证实了方法的可行性和正确性。     

What’s next for Cuba’s electricity sector?

Cuba’s electric sector is approaching an inflection point. Although the country has historically relied upon non-commercial barter agreements for imported oil to meet its electric demand, a combination of factors including reducing imports, increasing demand, and ambitious climate change goals suggest new pathways forward may be warranted. The way Cuba responds to near- and long-term challenges will help set the stage for its energy future. This article describes Cuba's electric sector and provides a set of key recommendations to consider going forward.     

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

正Qingdao,China7.16-19,2015The 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     

550 kV SF6 气体绝缘高海拔套管绝缘屏蔽结构

介绍了550 kV SF6气体绝缘金属封闭式组合电器（GIS）高海拔套管的绝缘屏蔽结构参数对电场分布的影响。针对套管单屏蔽结构方案,通过有限元法研究了接地屏蔽层翻边结构参数组合对套管内部最大电场强度的影响;研究了接地屏蔽层高度对GIS套管内外绝缘电场强度分布的影响。从而通过最优化接地屏蔽层高度和接地屏蔽层翻边结构参数组合,得到合理的套管内外电场分布,有效解决了高海拔型套管外绝缘修正后的内外电场分布均匀化问题,为550 kV SF6气体绝缘高海拔套管的绝缘结构设计提供了理论依据。     

某300 MW机组循环水泵出力不足的诊断分析

某300 MW机组投产以来循环水流量不足,极大地影响了机组的经济性。通过试验诊断分析得到,循环水系统设计阻力小于实际值,导致按照设计阻力选型的循环水泵出力不足,使得循环水流量偏小,影响了机组运行的真空。根据循环水系统实际阻力特性,对循环水泵进行重新选型整体改造,取得了较好的效果,与改造前相比,供电煤耗降低1.174 ~1.200 g/（kW·h）。据此,提出了循环水泵在设计选型时的注意事项。