基于列车运行图的CRH3牵引变流器IGBT模块寿命预测

器件的寿命与列车的运行状况有着密切的关系,现有变流器中绝缘栅双极型晶体管（IGBT）模块的寿命预测,考虑的工况大多都是额定工况或最大负荷工况。高速列车牵引变流器工况与工业变流器工况完全不同,需要结合实际运行图来考虑。如何提取实际运行图关键数据,将变流器中IGBT的特性从整车运行中提取出来是一个关键性问题。在多运行工况下研究IGBT的寿命才能更加符合实际的寿命情况。传统的仿真系统是在逆变器侧构建牵引、制动等工况,该文设计更为简便的方法在整流器侧直接构建牵引、制动等工况的变化,将列车的多运行工况的变化反映到整流器直流侧的电流变化,进而反映到IGBT的电气特性的变化。最后,基于京津城际线路的任务剖面搭建仿真模型得到多运行工况下的IGBT结温变化,并分析IGBT的寿命。     

自动驾驶电力机车牵引变流器中IGBT寿命损耗优化策略

作为牵引变流器的核心部件,IGBT模块寿命损耗很大程度上直接决定了牵引变流器全寿命周期成本。为此文中在不影响机车整车输出牵引性能的基础上,提出一种基于电力机车各轴牵引力动态分配的IGBT寿命损耗最优策略,以降低牵引变流器全寿命周期成本。基于牵引电机结构原理与相关现场数据,该方法首先建立IGBT寿命损耗与牵引力及区间速度的量化模型;然后基于上述量化模型与机车自动驾驶系统规划的区间速度及牵引力发挥曲线对不同牵引力分配策略下逆变器IGBT寿命损耗进行实时计算,得出寿命损耗最优的牵引电机功率分配方案,控制机车各轴牵引电机输出。最后,基于HXD1自动驾驶机车现场某区间运行数据,对所提方法进行测试,验证所提方法的有效性。     

交流传动牵引变流器可靠性在线监测方法∗

牵引变流器作为交流传动系统的关键设备,分析其可靠性十分必要.考虑到牵引负荷特性,基于物理失效 机理建立IGBT模块失效率模型,依据可靠性预计手册分析其他组件的可靠性,将各方法有机结合后提高可靠性分析 效率与准确性.以结温为主要监测变量,提出了一套牵引变流器可靠性在线评估流程,为全面监测牵引变流器的安全 可靠运行提供重要参考.     

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。     

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.     

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。     

考虑线路运行环境的牵引变流器IGBT寿命评估

列车在行驶的过程中其自身的运行工况和外界的环境工况都在发生变化.IGBT作为列车变流器的核心器件,列车自身的运行工况会影响变流器的运行工况进而影响IGBT的寿命,环境工况会影响变流器的散热进而影响IGBT的寿命.从牵引计算的角度,考虑速度、加速度、坡度等因素,搭建了电仿真模型;从热计算的角度,考虑变流器散热方式、环境温...     

双馈风电变流器IGBT模块功率循环能力评估

为准确评估不同风况下双馈风电机组变流器的可靠性水平,提出一种机侧变流器IGBT模块的功率循环能力评估方法,并研究了风速对功率循环能力的影响。基于器件失效模型,建立机侧变流器IGBT模块的平均失效时间(MTTF)计算模型。结合变流器实时运行参数,建立机侧变流器IGBT模块结温计算模型,并分析湍流风速对结温波动的影响,进而提出基于雨流算法提取随机结温波动信息。根据提取的随机结温波动信息,结合风速统计特性,提出机侧变流器IGBT模块功率循环能力评估模型。最后,以某1.5 MW双馈风电机组机侧变流器IGBT模块为例,分析年平均风速及湍流强度对其功率循环能力的影响。分析结果表明:该变流器IGBT模块的MTTF其随着年平均风速及湍流强度的增大而减小;相比传统评估模型,所建立的评估模型更准确。     

计及疲劳损伤的多时间尺度风电变流器IGBT可靠性评估

现有的风电变流器中绝缘栅双极型晶体管(IGBT)可靠性评估方法在计及疲劳损伤时无法兼顾计算效率与准确度,为此提出了一种多时间尺度可靠性评估算法.首先,基于监测控制和数据采集(SCADA)数据建立风速的威布尔概率分布模型,依据风电变流器拓扑结构推导IGBT模块的电热耦合模型,并引入了常用的寿命预测模型;其次,对风电变流器IGBT进行时间尺度划分,并针对某2 MW风力发电系统,从不同时间尺度开展IGBT可靠性评估;最后,得出了计及疲劳损伤的可靠性评估参量,与现有统计数据对比,从累积损伤度和寿命预测2个方面来验证所提算法的可行性和准确性.结果表明,所提算法相较于现有算法,可以更加准确高效地评估IGBT的健康状况.     

功率模块IGBT失效机理与寿命预测研究综述

功率模块IGBT作为全控型器件的代表,现已迅速扩展了其在各个领域的应用,根据相关调查研究发现,功率模块IGBT失效相对于其他部分更为突出。对IGBT的寿命进行预测对于评估电力系统可靠性具有重大的现实意义。本文通过总结综述了其主要的失效机理,分析其失效的原因,并通过不同的失效机理,对现有寿命预测模型进行解释说明,同时分析不同预测模型在实际使用中的优缺点及精确度。最后对于未来进行了展望。     

车载牵引变流系统故障诊断与容错控制综述

车载牵引变流系统作为高速列车的动力源,其安全可靠性对保障高速列车安全、高效、可靠的运行和维护至关重要。在非线性、强耦合和多工况等复杂条件和恶劣环境中长期运行,牵引变流系统中的各类部件都会出现不同程度的劣化失效,引发各类故障,给高速列车的安全运行带来极大挑战。为此,针对高速列车车载牵引变流系统功率器件、牵引控制单元、传感器和中间直流环节等故障率高的部件进行了故障诊断与容错控制方法的调研和总结,对比分析不同方法的研究思路和适用条件。最后,讨论车载牵引变流系统故障诊断与容错控制研究中亟待解决的问题,并对未来的研究做出展望。     

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。     

国产高压大功率IGBT应用于机车变流器工作特性测试研究

高压大容量IGBT器件广泛应用于现代电力机车变流器系统中,其工作特性决定了电力机车的运行性能。用于牵引变流器的IGBT模块在功率密度、反并联二极管容量、封装技术和工作环境上要求更加严格。依据实际应用环境,测试并掌握IGBT器件的特性参数,选用合适的驱动保护电路,可以确保IGBT稳定可靠运行,充分发挥变流系统的控制特性。本文重点研究DM型国产大功率IGBT的工作特性,选取两种国外同规格IGBT进行对比测试分析。将国产DM型IGBT应用到HXD2F机车变流器进行了特性测试,测试结果为此款IGBT以后应用于牵引变流器的开发设计选型提供参考。     

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。     

计及运行工况的MMC换流阀可靠性建模与分析

模块化多电平换流器(MMC)换流阀作为高压直流输电系统的核心设备,其可靠性关系到整个输电系统的安全稳定运行。以典型高压直流输电MMC换流阀为例,考虑换流阀运行工况,建立基于故障树分析方法的MMC换流阀的可靠性模型,并对其薄弱环节进行分析。首先,建立融入换流阀运行工况IGBT、二极管等元件的故障率模型;其次,考虑MMC换流阀功率模块和外围控制保护系统等,运用故障树分析方法,建立MMC换流阀故障树模型,得到相应可靠性指标的表达式;最后,根据可靠性指标公式计算各元件的故障率,采用概率灵敏度和关键灵敏度指标,辨识MMC换流阀的薄弱环节。结果表明:在整流和逆变工况下,MMC换流阀和元件的故障率最大,而在纯无功工况下故障率最小; IGBT模块和电源供给是MMC换流阀的薄弱环节,MMC子模块性能对换流阀可靠性的影响最为显著。     

柔性直流换流阀IGBT过流失效研究

IGBT过流失效极易导致模块爆炸、水冷系统漏水甚至换流阀停运,是危害柔性直流输电系统安全运行的重要因素之一.基于模块多电平柔性直流换流阀结构特点和运行工况,总结分析了柔性直流换流阀IGBT的短路过电流、脉冲式过电流和续流二极管过电流这3种过流失效类型及其特征;结合MMC换流阀的工作原理及特点,提出了IGBT3种过流方式...     

牵引变流器中6500 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...     

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。     

压接式IGBT模块的开关特性测试与分析

随着柔性直流输电技术朝着更高电压等级、更大系统容量方向的发展,作为其中关键设备的换流阀和混合式直流断路器对大容量IGBT器件的封装特性和电气性能提出了更高要求。与焊接式IGBT相比,压接式IGBT具有功率等级更高、开关速度更快、易于串联等优点,成为柔性直流输电的优选器件。为系统掌握压接式IGBT模块的应用特性,设计了基于双脉冲测试原理的压接式IGBT模块开关特性的测试平台。基于测试结果,分析了不同压接力、负载参数和结温条件对压接式IGBT模块开关特性的影响规律;并从器件封装特性和半导体物理层面、初步探讨了压接式IGBT模块开关特性的变化机理,为其在大功率电力变换领域的推广和应用提供参考。     

一种改进的IGBT模块结温提取算法及实验研究

IGBT模块目前被广泛应用于电力系统、牵引传动和电动汽车等各个领域,其安全可靠运行对电力电子系统具有重要意义。研究表明,器件的结温与其健康状况有密切的关系,如何实时提取IGBT的结温是在线监测亟需解决的重要问题。在研究IGBT关断期间电流变化率di/dt与结温关系的基础上,提出一种改进的结温提取模型和算法,该方法具有模型简单和准确的特点,并给出了详细的理论推导分析和简化计算模型。最后,通过设计的改进双脉冲实验,验证了模型和算法的正确性与实用性。