风电变流器IGBT模块损耗及结温的计算与分析

针对双馈风电变流器IGBT模块在交变热应力的长期作用下导致故障频发的问题,提出其损耗与结温的准确计算模型及不同工况下两者变化规律的研究。首先,建立了机侧及网侧变流器在整流或逆变模式下IGBT模块损耗及结温的计算模型;其次,对机组在不同运行工况下,其损耗和稳态结温进行分析。结果表明,随风速的增大,机侧与网侧变流器IGBT模块的损耗变化规律不同;机侧变流器IGBT模块的结温波动剧烈,尤其是在同步风速附近区域。     

双馈风电变流器IGBT模块的损耗与结温准确计算模型及规律研究

为了解决交变热应力大范围波动会导致IGBT模块稳定性大幅下降,引起双馈风电变流器IGBT模块故障频发的问题,基于解析解理论以及不同损耗分析方法并结合双馈风电变流器实际运行特性,建立了IGBT模块功率损耗以及机侧、网侧结温稳态模型,并且分析了其在不同工况下的变化特性。结果表明,风速对机侧以及网侧变流器IGBT模块的功损耗以及结温变化特性影响较大,最终得到基于开关周期理论所建模型更加适用于分析IGBT模块结温以及损耗的精确模拟。双馈风电用机侧变流器IGBT稳态结温波动幅值随风速的增大而增大。     

考虑多热源耦合的风电变流器IGBT模块结温评估模型

为了更准确地描述大功率风电机组变流器IGBT模块内并联芯片的结温,提出一种考虑多热源耦合影响的变流器功率模块结温评估改进模型。从实际2 MW双馈风电机组变流器IGBT模块内部结构和材料参数出发,利用有限元方法分析IGBT模块内多芯片的结温分布和稳态热耦合影响。引入等效耦合热阻抗概念,推导功率模块芯片间热阻抗关系矩阵,并建立考虑多芯片热源影响的IGBT模块改进热网络模型。以某H93-2MW双馈风电机组为例,对比分析了不同功率损耗下改进模型的芯片结温计算结果与有限元和常规热网络模型结果。结果表明了考虑多热源耦合影响的风电变流器功率模块内部芯片结温计算的必要性和有效性,且热耦合影响程度与不同的芯片间距密切相关,需重点关注非边缘位置芯片的热分布。     

基于寿命消耗分布规律的风电变流器IGBT模块热管理控制策略

结温波动是引起绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)热疲劳失效的重要原因之一,降低其幅值能够提高IGBT模块的可靠性。该文提出一种基于寿命消耗分布规律的热管理控制策略。所提策略首先结合一整年的风速和气温数据,量化分析IGBT模块的寿命消耗分布规律,讨论需要被重点管理的结温波动类型和大小;然后,通过将结温阈值下限设定为最低环境温度,研究对低频结温波动实现有效抑制的结温阈值上限。结果表明,风电变流器应侧重于抑制IGBT模块幅值较高的低频结温波动,并且应计入长时间的任务剖面以便反映出结温波动的实际分布规律。案例和实验验证所提策略不仅可以有效抑制低频结温波动,而且显著降低IGBT模块的寿命消耗。所提策略为如何提高长时间运行工况下IGBT模块的可靠性提供一种新方法。     

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...     

考虑不同时间尺度的风电变流器功率模块可靠性评估模型

考虑到变风速运行下风电变流器功率模块的结温波动既受到风速的影响,同时也存在由换流引起的基频结温波动。为了综合衡量这两个时间尺度下结温波动对变流器可靠性的影响,提出考虑不同时间尺度下结温波动特点的可靠性评估模型。针对受风速影响较大的长时间尺度结温波动,根据FIDES可靠性评估导则,引入热应力因子和温度循环因子对不同风速均值、风速湍流强度运行状态下的可靠性影响进行评估。针对由换流引起的短时间尺度下的基频结温波动,采用多状态概率评估思想将风速大小进行概率划分,并基于功率模块失效机理评估不同风速对功率模块故障率的贡献。最后,以某风场变流器为例,对其可靠性进行评估,并分析设计参数对可靠性的影响。文中结论对于制定检修计划,提高功率模块设计可靠度提供了依据。     

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。     

基于转速控制的双馈风电机组机侧变流器IGBT器件结温波动抑制策略

针对当前双馈风电机组机侧变流器在同步转速点附近结温波动大、影响器件运行可靠性的问题,提出一种基于机组转速控制的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)结温波动抑制策略。首先,基于最大功率点跟踪(MPPT)控制原理,并结合变流器IGBT模块等效热网络,建立双馈风电变流器结温计算模型。其次,针对机侧变流器在同步转速点附近结温波动出现的"尖峰"现象,从减少机组低频运行范围和提升同步转速附近区域穿越速度的思路出发,提出基于功率、转速双控制外环的改进最大功率点跟踪控制策略。最后,搭建基于PLECS和Simulink联合平台的双馈风力发电系统仿真模型,对机组在亚同步和超同步转速间动态往返变化的变流器电-热性能及其在同步转速附近区域的稳态结温进行仿真,并开展变流器结温抑制效果验证的等效实验。仿真和实验结果验证了所提改进控制策略对抑制机组同步转速点附近变流器IGBT结温波动的有效性。     

一种中电压大功率IGBT模块行为模型

目前已有场终止型绝缘栅双极性晶体管(IGBT)行为模型以及仿真软件中的IGBT模型未专门针对中电压大功率IGBT模块搭建,不能准确模拟其区别于中小功率IGBT的行为特性。在已有行为模型基础上,提出引入IGBT基区存储电荷造成的等效电容及模块封装键合丝带来的寄生电感,考虑反并联PIN二极管行为模型,从而有针对性地实现了完整中电压大功率IGBT模块行为模型。同时提出了新的米勒电容函数拟合方法,量化分析行为模型完整开关过程中典型行为与模型参数的关系,通过较简便的方法实现了模型参数的提取。最后在Pspice环境下实现了一种3.3k V/1.5k A等级IGBT行为模型,并通过在Buck电路下仿真与实验波形对比证明了该行为模型的可行性和有效性。     

2.5kA/1.2kV两单元IGBT模块

介绍一种工业用2.5 kA/1.2 kV两单元IGBT模块.在该大电流器件中,P端到N端的内部连线电感非常小.半导体硅片的巧妙布局有效地提高了模块的散热能力,采用铝底板直接连接绝缘基板来提高热循环能力.对于这种底板面积较大的器件,为了获得更好的底板和散热片之间的热接触.底板被分成几段.2.5 kA/1.2 kV两单元IGBT模块的封装同样适用于1.8 kA/1.7 V两单元IGBT模块.     

智能功率模块在电动汽车中的应用

二十世纪八十年代末推出第1代智能功率模块(IPM),它集成了绝缘栅双极性晶体管(IGBT)硅片及其驱动和保护电路.至今,己开发出了5代IPM.此外介绍第5代IPM的最新技术.最新的IGBT全栅型载流子存储沟槽栅型双极性晶体管(CSTBTm)硅片技术可实现饱和压降与关断损耗的最佳折衷.最新的IPM在维持关断损耗Eoff不变的情况下,显著降低Vceset,从1.9 V降至1.75 V.新的集成技术也优化了保护功能,而且模块的功率循环和热循环能力大大得到提高.测试结果证明,IPM在电动汽车的应用中也能体现优异的性能.     

用于ZVZCS逆变电焊机的高频IGBT模块

介绍了一种逆变电焊机用高频IGBT模块,并详细讲解了IGBT硅片和低电感封装技术。该模块的典型应用是零电压零电流开关(Zero-voltage and Zero-current Switching,简称ZVZCS)逆变电焊机。介绍了ZVZCS逆变电焊机的电路拓扑结构。最后,通过实验证明采用该模块的ZVZCS逆变电焊机性能优异。     

IGBT功率模块瞬态热阻抗测量方法研究

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的瞬态热阻抗曲线可表征器件的退化状态,对器件损伤、寿命预测等研究有重大的意义。提出了基于光纤测温法测量瞬态热阻抗的方法,可实时获取器件的准确结温,计算得到的瞬态热阻抗曲线能反映器件的退化状态,更接近器件的实际热阻。分别对用光纤测量法和热敏参数法测得的瞬态热阻抗曲线进行比较,证明了光纤测量方法准确可行。     

高功率密度电机控制器的IGBT模块损耗及结温计算

为设计可靠性高的高功率密度电机控制器,计算绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块的损耗和结温至关重要。以某电动汽车用高功率密度电机控制器为研究对象,分析了利用数据手册计算IGBT模块损耗和结温的方法,利用FLUENT软件计算出实际冷却水温度下的热阻值,解决了数据手册中热性能数据不完善的问题。基于Matlab软件的M语言开发了损耗及结温计算程序,可以计算出不同工况下的损耗和结温等重要参数,为电机控制器的热设计提供指导。     

使用IGBT和IPM模块变频器故障现象的比较

介绍新型电力电子器件(IPM)的发展带来的变频器在发生故障时一些处理方法的不同,通过对IGBT和IPM结构的比较,结合工作体会给出这些故障现象的一些分析。     

基于灰色预测模型的IGBT变频器控制研究

针对IGBT变频器死区时间设置的问题,将灰色系统理论中的灰色建模理论应用到死区时间的设置上,结果表明,该模型能够很好地控制IGBT变频器的死区时间,这种探索也为灰色系统理论应用到电力电子方面打下了基础。     

基于Ansys的大功率IGBT模块内部传热研究

采用Ansys软件对大功率IGBT模块内部的传热机理进行分析研究,观察其对应不同功率等级下的IGBT内部传热情况,最后通过IGBT芯片到铜基板底面的不同温度来计算芯片的结壳热阻.对IGBT模块的热性能进行预评估,以便更好地为设计人员提供设计方案的依据.而且以搭建的实验平台为基础,测得一系列实验数据,并与仿真模型的结果进...