功率模塊IGBT狀態(tài)監(jiān)測及可靠性評估方法研究.pdf

1、變流器作為新能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中極其重要的組成部分，其運(yùn)行安全性和可靠性越來越受到科研人員、電力系統(tǒng)運(yùn)行和管理人員的關(guān)注。隨著我國新能源發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量的不斷增長，對功率變流器的容量、效率和可靠性的要求也越來越高，尤其當(dāng)變流器中IGBT功率模塊出現(xiàn)隱形故障的時候，維護(hù)、檢修等運(yùn)行管理的難度也越來越大，所以研究變流器IGBT功率模塊的可靠性和尋求一種狀態(tài)監(jiān)測與評估的方法對于新能源發(fā)電及其轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行顯得非常重要。
　　由于電力電

2、子器件大多封裝在模塊中，模塊內(nèi)部故障不易直接測量，狀態(tài)難于監(jiān)測與評估，可靠性難于保證。論文從這幾個關(guān)鍵問題入手，分析了功率模塊IGBT的失效原因及可靠性對策、研究了功率模塊IGBT的運(yùn)行驅(qū)動可靠性、IGBT的故障診斷與運(yùn)行TN322.8;TM46 狀態(tài)監(jiān)測與評估。還研究了功率模塊IGBT熱模型、動態(tài)熱阻和結(jié)溫的提取、壽命預(yù)測等方面，以實(shí)現(xiàn)對功率模塊的狀態(tài)監(jiān)測與有效評估，提高其工作可靠性。概括起來，論文主要研究了以下幾個方面的內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)

3、：
　?、俟β誓KIGBT的失效機(jī)理研究。分析了由IGBT可靠性降低引發(fā)的失效機(jī)理及失效模式并提出了失效評判標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)失效模式，把功率模塊失效方式分為兩大類，即與封裝有關(guān)的失效以及與芯片相關(guān)的失效,總結(jié)出變流器IGBT失效的根本原因，提出其失效是內(nèi)部疲勞逐漸積累并與外部運(yùn)行環(huán)境等多種因素相互作用的結(jié)果,當(dāng)其承受的電應(yīng)力、熱應(yīng)力、化學(xué)應(yīng)力、輻射應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力以及其他因素使所經(jīng)受的應(yīng)力條件超過最大額定值時，便會造成器件失效。
　

4、?、诠β誓KIGBT的驅(qū)動控制可靠性研究。對于目前常用的推挽結(jié)構(gòu)的功率模塊驅(qū)動電路,雖然減小驅(qū)動電阻將導(dǎo)致開通、關(guān)斷時間的縮短,但同時也將導(dǎo)致開關(guān)過程中IGBT功率器件電熱應(yīng)力的增加，從而使功率模塊可靠性降低。針對這一特點(diǎn)，首次提出了一種基于 dSPACE的分段控制算法，通過軟件和硬件結(jié)合分段控制功率模塊開、關(guān)斷速度,揭示了功率模塊的表面溫度變化規(guī)律，擬合出了表面溫度變化的動態(tài)曲線，實(shí)驗(yàn)證明該控制方法具有良好的驅(qū)動和保護(hù)功能,在縮短開關(guān)

5、時間的同時可以有效抑制電壓、電流應(yīng)力的增加，并能有效地減少新能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中輸出電壓和電流的諧波、提高電壓利用率和波形質(zhì)量，使新能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可靠性得到提高。
　?、酃β誓KIGBT的狀態(tài)監(jiān)測與評估方法研究。針對風(fēng)力發(fā)電等可再生能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中大功率變流器等電力電子設(shè)備的故障率較高、缺乏有效的狀態(tài)監(jiān)測問題，本文致力于研究新能源系統(tǒng)中功率模塊的故障診斷與狀態(tài)監(jiān)測和評估方法研究，通過分析目前常用的狀態(tài)監(jiān)測方法的困難和弱點(diǎn)，首次提出了IGBT

6、的外特性監(jiān)測方法，建立了IGBT外特性瞬態(tài)模型與穩(wěn)態(tài)模型及其評估標(biāo)準(zhǔn)，并首次提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的黑箱算法，從外特性角度建立了基于功率模塊多個運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)(如工作電壓、電流、調(diào)制比、表面溫度等)的狀態(tài)監(jiān)測與評估系統(tǒng)，并運(yùn)用智能計算方法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了IGBT表面溫度預(yù)測模型，實(shí)驗(yàn)證明該方法方便可行，為研究和提高可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中變流器功率模塊的可靠性開辟了新的途徑。
　　④功率模塊 IGBT的熱模型和壽命預(yù)測研究。本文分析和研

7、究了功率模塊IGBT的功率計算方法以及熱模型及求解算法、熱阻提取，壽命預(yù)測。IGBT的壽命和IGBT結(jié)溫的變化有關(guān)，而結(jié)溫源于它的發(fā)熱，發(fā)熱又源于功率損耗且和其熱阻有關(guān)。因此，IGBT結(jié)溫及熱阻是影響其壽命、評估其可靠性的重要參數(shù)。本文提出了一種IGBT動態(tài)熱阻的提取方法，給出了實(shí)驗(yàn)步驟，擬合出了熱阻變化的動態(tài)曲線和熱阻公式，該方法克服了IGBT內(nèi)部參數(shù)難于測量和不易操作的特點(diǎn)，通過檢測外部集射電壓參數(shù)間接地獲取IGBT結(jié)溫，建立了外部