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。     

电力电子器件的热疲劳寿命预测

针对功率变流装置中电力电子器件因承受随机波动温度载荷而诱发的热疲劳退化问题,以焊锡层热疲劳失效这种常见的失效模式为例,提出了一种预测电力电子器件热疲劳寿命的方法。以电力电子器件热疲劳退化机理为基础, 首先建立器件的电-热耦合模型,结合运行工况实时预测器件结温及不易直接测量的焊锡层的温度载荷;随后建立器件的热-机械耦合模型,计算不同特征温度载荷周期内累积的塑性形变,作为焊锡层热疲劳寿命模型的输入参数。结合以上两种模型以及Miner线性累积损伤理论即可实现任一工况下电力电子器件热疲劳寿命的预测。末尾举例说明了方法的有效性。     

动力电池循环寿命预测方法研究

以某锰酸锂锂离子动力电池为例,研究了利用性能退化数据进行动力电池寿命预测的方法.研究发现该电池容量基本符合幂函数的衰退轨迹,利用该衰退模型外推了电池伪失效寿命;对伪失效寿命的分布进行了研究,结果威布尔分布的拟合效果最好,基于威布尔寿命分布对该电池的可靠性进行了评估.分析了用于寿命预测的实际循环数据的多少对预测精度的影响.该寿命模型和可靠性评定方法具有较高的精度,解决了动力电池寿命评估周期长和成本高的问题.     

利用T型性能退化试验的金属化膜电容器可靠性评估

金属化膜电容器具有长寿命、高可靠性等特点,因此传统的基于大样本寿命试验数据的统计推断方法在其寿命与可靠性评估中存在困难。为了更加有效地评估金属化膜电容器的寿命与可靠性,提出了一种T型性能退化试验设计方法,该方法将性能退化试验分为若干阶段,每个阶段中参与的电容器个数依次递减,直至极少量电容器完成较长时间的性能退化试验。然后,给出了基于T型性能退化试验数据的可靠性评估方法。最后,结合激光装置能源系统的可靠性评估工作给出了一个应用实例,得到了该型电容器的寿命以及进行10000次和20000次充放电试验后电容器可靠度的点估计与区间估计。结果表明所提出的试验方法在试验样品数、试验时间和试验费用之间较好地取得了一个平衡点,更加有效地评估了金属化膜电容器的寿命与可靠性。     

基于维纳过程的光伏逆变器寿命评估方法

针对传统高可靠电子产品寿命评估方法难以有效获取充足的失效数据等难题,本文提出一种基于随机过程理论的光伏逆变器可靠性评估与寿命预计方法。首先,通过加速退化实验获取光伏逆变器性能退化数据,并选取输出功率作为表征其健康状态的性能参数;其次,采用典型一元维纳过程建立其性能退化模型,并利用最大似然法与贝叶斯理论更新退化模型参数;最后,依据光伏逆变器失效阈值实现其寿命估计,并预测逆变器在不同退化程度下的剩余使用寿命及其置信区间。实验结果验证了所提方法的有效性和准确性。     

Wiener过程性能退化电子产品的剩余寿命预测方法

针对Wiener过程性能退化电子产品剩余寿命预测中存在先验信息获取困难、预测不能有效体现个体差异性的问题,研究一种基于自助法的电子产品剩余寿命预测方法。首先,基于Wiener过程建立性能退化模型;其次,利用自助法获取先验数据,并以此数据确定退化模型参数的先验分布;最后,由贝叶斯方法融合退化数据确定退化模型参数的后验估计,进而由剩余寿命分布确定产品的剩余寿命。该方法能够得到具有个体差异性的预测结果,适合于单个电子产品的在线剩余寿命预测,并通过对GaAs激光器的实例分析验证了该方法的有效性。     

基于系统寿命分布的智能电能表时钟电池欠压预测研究

电池欠压故障在智能电能表现场运行过程中具有普遍性,由于电池欠压诱发原因,可靠性数据来源具有多样性,使得在现场运行上开展电池欠压量化评价困难,尚缺少适用的时钟电池欠压的评估与预测方法。文中方法从时钟电池回路层面梳理各组成单元可靠性逻辑关系,针对电池欠压故障模式构建时钟电池回路系统可靠性模型,创新性地提出时变权重构建系统寿命分布模型,提出基于系统可靠性综合理论的时钟电池欠压预测方法,实现综合利用单元性能退化数据、寿命数据以及寿命分布信息以预测时钟电池欠压事件触发时间,解决组成单元可靠性信息多样性条件下电能表时钟电池欠压量化评价困难的问题,最后以现场运行表计时钟欠压故障案例验证文中方法的有效性。     

基于改进粒子滤波的锂离子电池剩余寿命预测

针对锂离子电池剩余寿命预测精度低、泛化能力差等问题,提出基于改进粒子滤波的预测方案。首先,提出双高斯模型作为退化经验模型,拟合锂离子电池的容量退化过程。然后,通过先验知识设置退化模型的初始参数,并利用粒子滤波方法进行参数更新。针对预测过程中出现的粒子退化问题,提出高斯混合方法进行粒子重采样,拟合重采样过程中粒子复杂的非线性分布和长尾分布,保证预测结果的概率密度分布状况均匀且集中。最后在不同的数据集上进行了实验验证,结果表明所提出的改进粒子滤波方案具有较高的精度和较强的鲁棒性。     

BP与AR模型在轴承性能退化评估和预测中的应用

为解决滚动轴承性能难以评估与预测的问题,提出BP神经网络与AR模型相结合的方法,以评估滚动轴承失效退化程度,并预测从正常运行到最终失效的性能退化趋势。基于正常运行到最终失效的全寿命数据,利用BP评估模型估计轴承的失效退化程度,网络输出的评估结果为隶属于正常概率的目标向量。分别选择BP预测模型与AR模型作为预测系统,利用得到的评估结果进行训练,训练结束后,采用BP预测模型与AR模型分别对滚动轴承进行性能退化的单步和多步预测。基于两组全寿命数据的对比分析,验证了该方法的有效性。结果表明,使用BP神经网络可实现对轴承性能退化程度的良好评估,相比BP自身预测模型,AR模型在性能预测上能得到更优的结果。     

基于二元非线性Wiener随机过程的变压器油纸绝缘剩余寿命预测方法

针对传统单性能退化量的油浸式电力变压器油纸绝缘剩余寿命预测方法难以全面反映油纸绝缘退化行为,且缺乏对多性能退化量间相关性的考虑,该文充分考虑退化过程的随机性和非线性,提出了一种基于二元非线性Wiener随机过程的变压器油纸绝缘剩余寿命预测方法。首先,基于非线性Wiener随机过程建立单性能退化量的油纸绝缘退化模型,刻画油纸绝缘退化过程的随机性和非线性;然后,基于Copula函数建立两性能相关的退化模型,更加全面地分析两性能退化量所反映的变压器油纸绝缘联合退化行为;最后,采用MCMC-Gibbs抽样算法估计模型未知参数,实现变压器油纸绝缘剩余寿命预测。该文以糠醛和甲醇含量作为性能退化量,依托加速热老化实验数据进行实例验证,对比单性能、两性能独立、两性能相关三种情况下的可靠度曲线及剩余寿命预测结果,结果表明,该文所提方法能够更加合理全面地描述退化过程,可靠度曲线更贴近真实结果。     

功率MOSFET寿命模型综述

MOSFET是实现电力电子装置功能的核心器件,但其寿命短是制约电力电子系统可靠性的关键因素。由老化造成的MOSFET失效分为封装失效和参数漂移失效,前者由MOSFET制造工艺及材料导致的缺陷在工作环境中恶化而产生,后者为器件在使用过程中其内部微观退化机制在宏观参数的体现。对目前已有的MOSFET寿命相关的研究成果进行总结,分析了MOSFET的各类失效模式,并建立了各类失效模式下MOSFET寿命模型;并进一步总结了各类失效模式下寿命模型的失效判据及其各类寿命预测模型实验验证方法。     

An overheating‐tolerant space vector modulation algorithm for multilevel inverters

As promising and suitable candidates for high‐power applications, multilevel inverters have become one of the most promising solutions in various applications. However, power switching devices are highly subjected to thermal overheating, which leads to shortened lifetime and reduced reliability. Thermal overheating may result from the degradation of power switching devices due to continuous overloading and power cycling. In addition, degradation and faults in the cooling system of power switching devices may cause thermal stresses as well. A new overheating‐tolerant space vector modulation algorithm is proposed in this paper to alleviate thermal stresses from overheated power switching device. The proposed algorithm relies on using the redundancy property between switching states in multilevel inverters to continuously evaluate a cost function of the junction temperature of the overheated device for all possible switching sequence sets and then selects the optimal switching sequence. In addition, the proposed algorithm preserves the DC‐link capacitor voltage without reduction in the output current of the inverter. The proposed algorithm is general, which can be applied to n‐level inverters. Both simulation and experimental results reveal the efficient performance of the proposed algorithm using a three‐level T‐type inverter as a case study. Accordingly, the lifetime and reliability of the inverter are enhanced considerably using the proposed algorithm. © 2016 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.     

漏电断路器的步进加速退化试验方案研究

漏电断路器是低压配电系统中重要的终端保护电器,在防止漏电事故、保护用电人员的生命财产安全上发挥着重大作用,一旦失效,会对电网系统和人民生命财产造成重大危害。由于漏电断路器具有可靠性高、寿命长的特点,正常应力的可靠性试验无法在短时间获取足够的数据进行可靠性评估,文章提出一种漏电断路器的步进加速退化试验方案,分析漏电断路器性能退化规律,对其进行可靠性预测。确定加速模型和加速应力,根据前期预实验,确定特征参数;综合考虑漏电断路器的失效机理和试验样本、效率等因素,选择合适的应力水平、试验周期、失效阈值等试验参数;针对试验过程中漏电断路器剩余动作电流值的退化,利用Wiener过程建立退化模型,提出漏电断路器剩余寿命的概率密度函数和可靠度函数的预测方法。     

功率变流器的可靠性研究现状及展望

可再生能源并网发电技术的迅速发展,对功率变流装置的可靠性提出了更高要求。工业界的调查表明,可再生能源发电系统的故障很大一部分原因可归咎于变流装置的故障,而功率器件的失效是主要诱因。研究功率器件可靠性是提高变流器可靠性的基础,对延长设备的使用寿命具有重要意义。围绕功率变流器的可靠性问题,从变流器的工作特点出发分析了导致其可靠性不高的主要原因。首先阐述了功率器件在工作中的主要失效机理;为防止损坏设备的故障发生,需要实时监测变流器的健康状态及评估装置的可靠性,文章总结了功率器件的状态监测方法及寿命预测技术;为提高变流器的运行可靠性,提出了变流器状态控制的概念,对各种状态控制方法进行了分类介绍,并分析总结了现有状态监测方法、寿命预测模型及状态控制方法的优缺点,最后根据这些优缺点对功率变流器可靠性研究进行了展望。     

焊接型电力电子器件失效机理及量化评估方法

电力电子器件作为现代大功率电能变换装置的核心部件,随着功率等级提升,对其可靠性要求也越来越高,尤其是针对装置的功率体积密度有较高要求的应用场合,仍然缺乏有效的失效量化评估方法,传统的粗犷式设计已经无法满足要求。因此,为了提高装置的功率体积密度和可靠性,需要对器件的工作机理和可靠性边界进行准确表征。针对焊接型电力电子器件,首先从器件的失效机理入手,总结归纳了目前焊接型电力电子器件失效研究现状;然后从器件失效的内部和外部因素两方面分析了电力电子器件的失效机理;最后,从过压失效、过流失效以及疲劳失效三方面,提出了器件的失效量化评估方法,尤其是基于器件物理模型的评估方法,并以二极管和绝缘栅双极晶体管（IGBT）为例进行了验证。为实现电力电子器件的尽限应用提供了支撑。     

基于图形法的超辐射发光二极管性能退化可靠性评估

超辐射发光二极管(SLD)作为一个重要的特殊光源,针对 SLD 可靠度和寿命的预测精度要求高的问题,提出了基于图 形法的 SLD 性能退化可靠性评估方法。 首先采用加速应力的方式获得 SLD 的短时间内的无失效数据;其次根据退化轨迹采用 最小二乘法进行拟合得到适合于退化轨迹的曲线方程,并根据失效阈值计算出超辐射发光二极管的伪失效寿命;最后采用 Minitab 对伪失效寿命进行个体分布标识,选用接受度高的对数正态分布,得出常温下失效前的平均工作时间。 实验结果表明, 该方法可以精准预测 SLD 的可靠度和寿命,相对于其他方法其精度提高了 9. 09%。     

功率半导体模块的温控散热器设计方法

随着可再生能源不断开发,电力电子系统的运行条件愈发严苛,对功率半导体器件的可靠性提出了严峻的挑战,其中,严苛的环境温度及器件温度的快速变化是影响功率器件寿命的2个主要因素。因此,模拟环境温度对功率器件的影响是分析器件老化因素的关键步骤。由于传统模拟环境温度的方法昂贵且不能模拟温度的急剧变化,因此提出了一种功率半导体器件的温控散热器设计方法。该设计方法引入了基于PLECS的热仿真模型及基于占空比可变开关信号的温度控制算法,能够实现功率半导体器件环境温度的模拟。相较于传统方法(如温箱),该方法能够实现更快的温度响应速度,且成本更低。搭建了实验样机,通过实验验证了该设计方法的有效性。     

智能变电站继电保护装置寿命模型及其辨识方法

智能变电站继电保护系统在结构、构成元件及工作模式等方面都与传统保护系统存在很大差异,其寿命更长,可靠性更高,其寿命分布可能服从不同分布模型。对数正态分布模型由于其灵活性在电子产品寿命建模中得到广泛应用,其对可修复系统的寿命适应性更强。实际分析中,对数正态分布、Weibull分布、广义指数分布等常会混用,这种混用会导致寿命预估出现较大偏差而引起过度检修。首先建立了基于对数正态分布的寿命模型,然后通过修正极大似然函数法对截尾寿命数据进行不同模型间的辨识,并使用最小二乘法和平均秩次法进行参数估计,最终完成智能站继电保护装置寿命预估。通过实例验证了新模型预估的寿命较传统Weibull分布预估的寿命更接近实际。