MMC系统功率器件基频结温波动快速计算方法

将运行工况转换为器件上承受的热荷载是寿命耗损评估的关键,而寿命耗损评估的准确性受限于功率器件结温计算的速度和精确性。模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)系统桥臂电流具有与生俱来的直流偏置特性,使得子模块内部产生热不平衡。且长时间任务剖面下,较大的基频结温波动对子模块中IGBT模块寿命评估影响不容忽视。为此,文中提出一种考虑运行参数影响的基频结温波动快速解析计算方法。以1.3MVA MMC并网系统为例,通过实验平台测试了所用器件的动静态参数,建立精确的3D器件损耗模型,将所提的结温波动计算模型与时域电热仿真进行准确性对比,讨论不同运行参数对所提结温计算方法的影响。最后,基于所提方法对实际传输功率下网侧MMC子模块中IGBT模块基频结温波动进行计算,验证该方法有助于准确评估MMC中功率器件可靠性。     

基于电热耦合模型的风电变流器IGBT结温特性研究

随着我国新能源电力的规模化开发,新能源发电系统(包括风电、光伏、生物质能、海浪等)装机容量不断增长,对新能源变流器的容量、效率和可靠性的要求也越来越高。研究风电变流器IGBT的结温有助于研究变流器的可靠性,为新能源安全运行提供了支持。目前,针对IGBT结温的计算主要是基于数据手册,损耗计算采用了热路模型或者场的方法,并且忽略了恶劣的运行环境以及IGBT不同工况故障带来的影响。针对其在不同运行工况下的结温特性问题,建立了IGBT功率模块的电热耦合模型,分析了在SPWM控制策略下IGBT功率模块结温特性的变化规律。仿真结果表明,在电网遇到的三相故障短路问题、开路问题以及高海拔地区风机恶劣的运行环境影响下,对IGBT的结温都会有很大的影响。     

考虑任务剖面的模块化多电平换流器可靠性评估方法研究

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMCs)的高可靠性是确保整个柔性化直流输电系统安全可靠运行的关键。由于实际MMC系统受风能等新能源的随机性、间歇性影响,IGBT结温长期处于剧烈波动状态,常规电力电子设备可靠性评估方法已无法满足换流器设计的高可靠性要求。文中提出一种考虑任务剖面的MMC系统可靠性评估方法。首先,基于实测风速数据分析风电场接入的25MW MMC系统运行工况下一年的输出功率,同时在功率器件结温预测中考虑基频结温波动的影响;通过雨流算法进行热荷载统计,以便于应用寿命模型,从而得到功率器件静态累积损伤。考虑寿命模型参数和器件参数的随机性和波动性,采用Monte-Carlo仿真建立器件寿命分布模型;以子模块中器件级可靠性分析为基础,通过可靠性方框图建立系统级可靠性模型,进而对不同冗余子模块的MMC系统进行可靠性分析。研究结果表明,本方法可为MMC系统可靠性量化评估和系统高可靠性设计提供理论指导。     

模块化多电平换流阀IGBT器件功率损耗计算与结温探测

半桥子模块是柔性直流输电系统中模块化多电平换流阀(MMC)的核心单元,根据运行工况参数计算半桥子模块器件的功率损耗是进行绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块结温探测的关键,准确的结温波动信息对MMC换流阀系统的可靠性研究和安全运行尤为重要。与一般的两电平逆变器不同,MMC系统中桥臂电流具有与生俱来的直流偏置特性。该文提出了一种基于电热耦合模型的半桥子模块中IGBT器件功率损耗与瞬态结温计算的数学解析方法。首先研究半桥子模块中各导通器件电流复现方法,建立基于开关周期的平均功率损耗计算模型,基于瞬态热阻抗建立半桥子模块中IGBT器件的热网络模型;然后通过一个2MW的柔性直流输电系统算例,计算子模块中上下管开关器件的功率损耗和瞬态结温变化,计算速度是时域仿真模型的1 000倍;最后通过有限元模型验证了文中所提电热耦合模型的有效性。     

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。     

基于半直接耦合的压接型IGBT模块功率循环仿真方法

功率循环实验是一种基于加速老化思想的寿命分析实验和可靠性研究方法,在大容量电力电子器件可靠性研究中具有关键作用。本文提出了一种基于半直接电热耦合的压接型IGBT模块功率循环仿真方法,建立了电热耦合稳态以及瞬态模型,根据芯片损耗推导芯片等效电导率,并且利用等效电导率的方法进行载荷设置,通过ANSYS软件仿真得到了功率循环过程中压接型IGBT模块的内部温度分布以及温度随时间变化的结果。该方法有效减少了瞬态直接耦合带来的巨大计算量,避免了迭代不收敛的问题,对于功率模块可靠性研究和寿命预测具有一定的理论指导作用。     

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。     

加速器脉冲电源的IGBT结温波动预测

兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)磁铁电源大多是开关电源,工作于脉冲大电流、高精度模式,各种功率等级的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)数量庞大,IGBT的稳定工作对电源可靠、稳定工作至关重要.从IGBT损耗计算入手,分析和测量了IGBT在特定脉冲运行模式下的结温波动规律.以600 A/1200 V IGBT为例,对3种实际电流工况进行了实验分析,采用热成像仪对IGBT结温进行测量,结温数据的误差在3.5 ℃以内,验证了所提结温分析方法的正确性.最后,根据Bayerer寿命模型进行了基于结温波动的可靠性评估.     

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、环境温度等,搭建了热仿真模型。为了让热仿真模型更加贴近实际,基于瞬态双界面法测试了IGBT热参数,并得到当前IGBT的老化程度为6.98%。最终实现了Simulink与PLECS的电热联合仿真,得到了IGBT的损伤度,给出了基于变流器运行工况的IGBT寿命评估流程。     

负载电流对IGBT器件中键合线的寿命影响和机理分析

通过器件的功率循环试验可建立寿命模型,如最常用的CIPS08公式,用来预测实际工况下的寿命情况。其中结温波动和结温最大值对键合线寿命的影响最大,但是在功率循环试验中往往需要同时调节负载电流大小和开通时间来达到相同的结温波动和结温最大值。为了进一步评估负载电流和开通时间这两个参数对键合线寿命的贡献,尤其是负载电流的影响机制,该文对650V/20A的TO封装IGBT器件在相同的结温波动和结温最大值,但在不同的负载电流大小和开通时间的组合条件下进行了功率循环试验。结果表明,不同的负载电流和开通时间组合对器件寿命有不可忽略的影响,电流增大会显著降低IGBT器件中键合线的寿命。为了解释试验出现的现象并揭示其作用机制,该文建立TO封装IGBT器件的电-热-力多物理场有限元模型,考虑铝键合线和表面金属层的弹塑性特性,分析电流影响键合线应力大小的机理。同时引入金属疲劳寿命模型,得到的仿真寿命趋势与试验结果相吻合。该文研究可为IGBT器件的精确模型建立和键合线疲劳寿命预测提供指导意义。