改进型Y源逆变器关键器件的寿命预测研究

发布时间：2020-11-08 09:29

　　 可靠性技术由于具备广阔的应用前景和显著的优势,受到了学术和企业界的广泛关注。近年来由于新能源产业的发展,电力电子变换器的可靠性一直是国际可靠性领域的热门研究方向。为了保证逆变系统的可靠性,除了优化拓扑结构,还需要评估电力电子变换器在给定的环境下稳定工作的能力。并从设计的角度出发,找出系统的薄弱环节,研究故障的根源。从而在设计阶段就能根据可能遇到的问题预测系统寿命,进行系统结构的优化。为了解决传统Y源逆变器存在的电压尖峰、启动冲击电流、输入电流断续、升压比丢失等一系列问题,本文提出一种改进型的Y源逆变器拓扑结构。并通过仿真与实验结果,验证改进型Y源逆变器的优越性。在改进型Y源逆变器的基础上,通过对IGBT模块和电容器两个易损部件失效机制的研究,为改进型Y源逆变器关键器件的寿命预测方法提供基础。在IGBT模块方面,本文深入研究其电气和封装结构,并总结出IGBT模块的主要失效原因、故障部位和失效物理机制,从而建立了IGBT模块的寿命模型。通过现有的加速老化实验数据,确定了IGBT模块寿命模型参数。在电容器方面,比较分析了各种电容器的应用场景和优缺点。针对电容器在改进Y源逆变器使用过程中存在的可靠性问题,深入研究了其故障机制和失效模式,并选择合理的电容寿命预测模型。最后,在光伏逆变应用场景下,提出基于任务剖面的改进型Y源逆变器关键器件寿命预测方法。建立Y源逆变器IGBT模块的电-热模型,利用线性疲劳累积理论,通过雨流计数法,预测IGBT的疲劳寿命。提取给定任务剖面中的电容纹波,结合电容寿命公式和环境温度,给出改进型Y源逆变器中电容的预测寿命。将改进型Y源逆变器关键器件的寿命预测结果与传统Y源逆变器进行比较分析,验证改进型Y源逆变器在可靠性方面的提升。通过搭建的实验平台,验证含有吸收回路的Y源逆变器拓扑的优越性能。在此基础上,基于IGBT模块和电容器的可靠性研究和建模,并以改进型Y源逆变器为例,创造性地提出逆变器关键器件寿命预测的可靠性有效的评估手段,为逆变器的可靠性设计提供理论指导。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM464
【部分图文】：

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文2 0.4 0.6 0.8× 1e-4t (s)I()A0.0 0.2 0.4 0.6 0.000.020.040.060.080.10t (s) 源逆变器的启动电流 (b) 改进型 Y 源逆变器的启图 2-8 启动冲击电流比较

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文当 IGBT 两端电压 Uce小于零时，由于底端的 PN 结处于反偏状态，无论的沟道是否打开，电流都不能从集电极和发射极之间通过。因此，IGBT 底 PN 结具有反向阻断电流的能力。当 IGBT 两端电压 Uce大于零，栅极-发电压 Uge为零时，中间的 PN 结处于反偏状态，顶端部分的沟道区域中不能有效的导电沟道，所以集电极电流为零。只有当 Uce大于零且 Uge大于 IG开启电压时，栅极附近的 P+区域形成导电沟道，使得 IGBT 正向导通。1.2 IGBT 模块的封装结构由图 3-3 可以看出，IGBT 模块拥有明显的层级结构，大致可以分为芯接铜键合衬底(DBC)和基板。如果加上层与层之间的焊锡层，IGBT 功率模可细分为 7 层。由前文可知 IGBT 是在 BJT 的基础上结合了 MOSFET 的优展而来的，但和 BJT 不同的是 IGBT 模块内部的阴极和阳极并没有金属层是从芯片表面直接引出焊线或覆盖于 DBC 的上层铜板。发射极 栅极 集电极覆铜

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文电容器的寿命可以用两种基本的故障类型来描述，即灾难性故障和退化故障。灾难性故障是指电路中电容器的功能完全丧失。这些故障可能导致开路或短路、电容器爆炸、介质破坏、对其他电气元件的损害或电容器内部液体或气体的泄漏。退化故障是指电容参数超出其可承受的性能范围极限。对于不同的制造商，电容器可承受的最大性能极限差异很大。这些极限体现在漏电流的增加、等效串联电阻 ESR 的增加(电解电容 ESR 增加 300%、金属化薄膜电容增加 150%)、介电值的降低(电解电容降低 40%)或电容容值的降低(电解电容通常为 20%、金属化薄膜电容通常为 10%)。电解电容容易发生灾难性故障，而金属化薄膜电容器则易发生退化故障。图 4-5 给出了电容器瞬间故障和老化故障的示意图。
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