单相组合式同相供电装置可靠性研究
发布时间：2021-03-08 21:02
目前,我国电气化铁道已经进入到高速化、重载化的阶段,传统的牵引供电系统将逐渐无法满足其需求。新兴的同相供电系统同时解决了电分相以及电能质量问题,能够很好的适应电气化铁道的发展,成为了近年来的热点研究项目。单相组合式同相供电系统因其容量利用率高和占地面积小等优势尤其受到关注,而对于电气化铁道而言最重要的是能够安全稳定的运行,因此其可靠性的研究存在极为重要的意义。本文以单相组合式同相供电装置（Co-phase Compensation Device,CPD）为研究对象,针对传统的单相组合式CPD和一种基于模块化多电平变换器（Modular Multilevel Converter,MMC）的单相组合式同相供电装置MMC-CPD完成可靠性评估,并对MMC-CPD的冗余配置进行优化。本文的主要研究内容如下:（1）本文首先对组合式同相供电系统做简要描述,对其传统的级联式拓扑结构以及基于MMC的拓扑结构进行分析,并阐述了MMC的运行原理。对比CPD的结构可靠性分析方法,选择适用于本文的可靠性模型。再而介绍CPD主要器件的可靠性分析方法,并说明CPD可靠性评估流程。（2）结合绝缘栅双极型晶体管（In...
【文章来源】：兰州交通大学甘肃省
【文章页数】：58 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
IGBT模块网格划分示意图
兰州交通大学工程硕士学位论文-23-图3.4IGBT模块网格划分示意图第四步：添加物理场，将电流尝固体力学、固体传热等物理场添加进入模型开发组件，其次根据前文所提到应力关系和电-热-力耦合关系在各个物理场中输入对应的求解方程和耦合公式。3.1.3仿真分析(1)模型验证以前文所搭建的模型为基础，施加载荷为输入模块的电流有效值3.14A，将初始环境温度设置为293.15K，并约束基板下层温度保持在293.15K。经过有限元仿真分析，稳态下温度分布如下图所示。从图3.5(a)，图3.5(b)可以看出，温度最高的部位为键合线与硅芯片键合处，最高温度为301K。图3.6(a)，图3.6(b)为温度等值面，温度的分布由键合线与硅芯片键合处向外弧状减弱。(a)温度表面分布(b)温度截面分布图3.5IGBT模块稳态温度分布图
用于组合式同相供电的电力电子变压器拓扑及运行分析-24-(a)温度等值面分布(b)温度等值面截面分布图3.6IGBT模块稳态温度等值面分布图IGBT模块的应力分布如图3.7所示，通过前文的分析可知，温度对热膨胀系数不同的各个材料有非常大的影响。因此，在键合线键合处以及焊料层处受到的应力较大，所受应力最大的部位为键合线与硅芯片接触部位。根据前文分析可知，在应力长期作用下产生的累积疲劳最终会导致其失效。可见键合线与芯片接触位置为IGBT模块可靠性薄弱环节。本文仿真结果与文献[50]所得结论相符，验证仿真模型正确。图3.7IGBT模块应力分布图(2)热疲劳仿真计算由前文分析可知IGBT模块主要失效原因是键合线变形或者脱落造成的，为了简化
【参考文献】：
期刊论文
[1]IGBT模块失效机理及状态监测研究综述[J]. 王希平,丁祥宽,姚芳,唐圣学,李志刚. 中国电力. 2019(09)
[2]电力电子变压器的高速铁路同相供电系统及控制方法[J]. 夏焰坤. 电力系统及其自动化学报. 2019(05)
[3]计及运行工况的MMC换流阀可靠性建模与分析[J]. 李辉,邓吉利,姚然,赖伟,康升扬,江泽申,李金元,李尧圣. 电力自动化设备. 2018(10)
[4]温州市域铁路S1线同相供电系统方案研究[J]. 张晓芳,方曼琪. 电气化铁道. 2018(04)
[5]基于Semi-Markov的模块化多电平换流器的可靠性分析及其冗余配置策略[J]. 黄守道,付雪婷,饶宏,周保荣,荣飞. 电力自动化设备. 2018(07)
[6]考虑系统损耗的MMC换流阀冗余配置策略[J]. 黄守道,王海宁,荣飞,饶宏,周保荣. 电力系统保护与控制. 2018(06)
[7]基于器件结温的同相补偿变流器可靠性评估[J]. 刘飞,解绍锋,侯东光,周婷,张晓芳. 电力自动化设备. 2018(01)
[8]基于故障树分析法的配电自动化实用化运维指标研究[J]. 黄晓明,凌万水,吴栋萁,杨涛. 电力系统保护与控制. 2017(24)
[9]同相供电系统潮流控制器可靠性建模与冗余分析[J]. 陈民武,宋雅琳,刘琛,解绍锋,朱远帆. 电网技术. 2017(12)
[10]同相供电直挂变流器拓扑结构与容量匹配关系[J]. 黄小红,李群湛,杨乃琪. 西南交通大学学报. 2017(02)
博士论文
[1]压接型IGBT器件内部电—热—力多物理场耦合模型研究[D]. 邓二平.华北电力大学(北京) 2018
[2]功率半导体模块电、热特性分析及应用[D]. 朱楠.浙江大学 2018
硕士论文
[1]IGBT功率模块键合线失效分析与研究[D]. 岳亚静.天津理工大学 2019
[2]同相供电装置可靠性评估及改善措施研究[D]. 宋雅琳.西南交通大学 2018
[3]双馈风电变流器IGBT功率模块动态结温计算及寿命预测[D]. 白鹏飞.重庆大学 2018
[4]基于有限元法的压接型IGBT器件单芯片子模组疲劳寿命预测[D]. 张经纬.华北电力大学(北京) 2018
[5]组合式同相供电系统的容量分析及MMC仿真研究[D]. 常文寰.兰州交通大学 2017
[6]考虑结温波动的同相补偿变流器可靠性评估[D]. 刘飞.西南交通大学 2017
[7]组合式同相供电系统模块化多电平变流器研究[D]. 林志伟.西南交通大学 2017
[8]基于MMC的同相供电变流器控制策略研究[D]. 董小鹏.西南交通大学 2017
[9]绝缘栅双极型晶体管的失效分析和可靠性评估方法研究[D]. 李亚妮.华北电力大学(北京) 2016
[10]基于MMC的同相供电变流器研究[D]. 杨云森.西南交通大学 2015
本文编号：3071668
【文章来源】：兰州交通大学甘肃省
【文章页数】：58 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
IGBT模块网格划分示意图
兰州交通大学工程硕士学位论文-23-图3.4IGBT模块网格划分示意图第四步：添加物理场，将电流尝固体力学、固体传热等物理场添加进入模型开发组件，其次根据前文所提到应力关系和电-热-力耦合关系在各个物理场中输入对应的求解方程和耦合公式。3.1.3仿真分析(1)模型验证以前文所搭建的模型为基础，施加载荷为输入模块的电流有效值3.14A，将初始环境温度设置为293.15K，并约束基板下层温度保持在293.15K。经过有限元仿真分析，稳态下温度分布如下图所示。从图3.5(a)，图3.5(b)可以看出，温度最高的部位为键合线与硅芯片键合处，最高温度为301K。图3.6(a)，图3.6(b)为温度等值面，温度的分布由键合线与硅芯片键合处向外弧状减弱。(a)温度表面分布(b)温度截面分布图3.5IGBT模块稳态温度分布图
用于组合式同相供电的电力电子变压器拓扑及运行分析-24-(a)温度等值面分布(b)温度等值面截面分布图3.6IGBT模块稳态温度等值面分布图IGBT模块的应力分布如图3.7所示，通过前文的分析可知，温度对热膨胀系数不同的各个材料有非常大的影响。因此，在键合线键合处以及焊料层处受到的应力较大，所受应力最大的部位为键合线与硅芯片接触部位。根据前文分析可知，在应力长期作用下产生的累积疲劳最终会导致其失效。可见键合线与芯片接触位置为IGBT模块可靠性薄弱环节。本文仿真结果与文献[50]所得结论相符，验证仿真模型正确。图3.7IGBT模块应力分布图(2)热疲劳仿真计算由前文分析可知IGBT模块主要失效原因是键合线变形或者脱落造成的，为了简化
【参考文献】：
期刊论文
[1]IGBT模块失效机理及状态监测研究综述[J]. 王希平,丁祥宽,姚芳,唐圣学,李志刚. 中国电力. 2019(09)
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[4]温州市域铁路S1线同相供电系统方案研究[J]. 张晓芳,方曼琪. 电气化铁道. 2018(04)
[5]基于Semi-Markov的模块化多电平换流器的可靠性分析及其冗余配置策略[J]. 黄守道,付雪婷,饶宏,周保荣,荣飞. 电力自动化设备. 2018(07)
[6]考虑系统损耗的MMC换流阀冗余配置策略[J]. 黄守道,王海宁,荣飞,饶宏,周保荣. 电力系统保护与控制. 2018(06)
[7]基于器件结温的同相补偿变流器可靠性评估[J]. 刘飞,解绍锋,侯东光,周婷,张晓芳. 电力自动化设备. 2018(01)
[8]基于故障树分析法的配电自动化实用化运维指标研究[J]. 黄晓明,凌万水,吴栋萁,杨涛. 电力系统保护与控制. 2017(24)
[9]同相供电系统潮流控制器可靠性建模与冗余分析[J]. 陈民武,宋雅琳,刘琛,解绍锋,朱远帆. 电网技术. 2017(12)
[10]同相供电直挂变流器拓扑结构与容量匹配关系[J]. 黄小红,李群湛,杨乃琪. 西南交通大学学报. 2017(02)
博士论文
[1]压接型IGBT器件内部电—热—力多物理场耦合模型研究[D]. 邓二平.华北电力大学(北京) 2018
[2]功率半导体模块电、热特性分析及应用[D]. 朱楠.浙江大学 2018
硕士论文
[1]IGBT功率模块键合线失效分析与研究[D]. 岳亚静.天津理工大学 2019
[2]同相供电装置可靠性评估及改善措施研究[D]. 宋雅琳.西南交通大学 2018
[3]双馈风电变流器IGBT功率模块动态结温计算及寿命预测[D]. 白鹏飞.重庆大学 2018
[4]基于有限元法的压接型IGBT器件单芯片子模组疲劳寿命预测[D]. 张经纬.华北电力大学(北京) 2018
[5]组合式同相供电系统的容量分析及MMC仿真研究[D]. 常文寰.兰州交通大学 2017
[6]考虑结温波动的同相补偿变流器可靠性评估[D]. 刘飞.西南交通大学 2017
[7]组合式同相供电系统模块化多电平变流器研究[D]. 林志伟.西南交通大学 2017
[8]基于MMC的同相供电变流器控制策略研究[D]. 董小鹏.西南交通大学 2017
[9]绝缘栅双极型晶体管的失效分析和可靠性评估方法研究[D]. 李亚妮.华北电力大学(北京) 2016
[10]基于MMC的同相供电变流器研究[D]. 杨云森.西南交通大学 2015
本文编号：3071668
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