变流器中IGBT功率模块寿命预测研究

来源 :华北电力大学(北京) | 被引量 : 0次 | 上传用户:zboboz
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IGBT(绝缘栅双极型晶体管)功率模块作为新型功率半导体器件,已广泛应用于人类社会的方方面面。然而,在电力电子系统中,IGBT功率模块是最容易失效的部件,对IGBT功率模块进行精准的寿命预测是保障电力电子系统稳定运行的关键。功率模块的失效成因中,60%的失效是由于模块的结温波动引起的,键合线脱落、焊料层开裂是IGBT功率模块失效的主要表现形式。所以了解功率模块运行时的结温变化至关重要。然而,鉴于IGBT功率模块的封装工艺,很难通过直接测量的方法获得其结温变化。本文从光伏系统的实际应用出发,借助Plecs工具搭建单相并网逆变器的电热仿真模型,通过设置不同的并网电流,对IGBT功率模块损耗和结温进行了计算分析。根据结温仿真结果,通过解析寿命预测模型和功率循环曲线对IGBT功率模块进行了寿命评估。本文主要的研究内容如下:(1)现有的IGBT寿命预测模型都离不开IGBT功率模块的结温数据,针对IGBT功率模块结温难以获取的问题,提出采用电热模型仿真的手段来准确探测结温。本文基于单相并网逆变器来进行研究,通过Plecs工具箱搭建并网逆变器的电气模型和热模型,其中电气模型包括并网逆变器及其控制电路,热模型包括损耗模型和Foster热网模型。与传统搭建实验平台的方法相比,通过电热模型探测结温的方法具有高效、可操作性强、成本低廉等优点。(2)在功率循环加速实验中,指定的直流电被周期性地加在IGBT功率模块上,这种方法简单高效。然而实验过程中,功率模块只会产生导通损耗,这与快速开关的模块特性不一致。本文仿真实验中,不仅充分考虑了两种损耗的影响,而且将变化的电流加在了 IGBT功率模块上,所得仿真结果能准确反应出实际工作环境下IGBT模块的运行状态。(3)Bayerer寿命预测模型与其他解析寿命预测模型相比,考虑的物理量更加全面,预测精度也更高。鉴于IGBT的退化过程受结温波动的影响要大于结温极值Tjmax的影响。本文在Bayerer寿命预测模型的基础上,添加了最大结温值Tjmax的削弱参数,进一步提高了模型的预测精度。
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