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摘 要：功率半导体器件失效其原因主要是热疲劳损伤，对功率器件可靠性进行评估，首先需要评估器件热载荷，功率变流器设计功能满足后需要关注其可靠性，通过性能提升使维护成本降低。本文就风电变流器中功率半导体器件可靠性评估及其改善措施的探究作简要阐述。
关键词：风电变流器 功率半导体 可靠性评估
中图分类号：TM46 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2018）01（c）-0023-02
变流器可靠性提升在设计阶段可以通过系统拓扑结构优化，或者是采用可靠性较高的元件，运行阶段可以利用故障容错技术，比如故障预警、状态监测、冗余设计。其中故障预警与状态监测能够指导系统维护工作开展，降低维护工作成本。变流器可靠性提升要从各个方面采取措施，才能达成效果。
1 功率半导体器件可靠性分析
半导体器件在使用过程中，可靠性会受到多种因素影响，可以将其分为外部因素与内部因素，因此对其可靠性进行评估难度较大。对可靠性的标准定义是产品在使用时间内，在工作环境下其执行功能概率。可靠性概念中，关注环境与时间，如何解析器件失效机理，建立体现器件使用生命与环境之间的关系，对于器件可靠性预测工作有重要影响。
对器件可靠性预测，可以通过PoF故障物理模型达成目标，早期研究阶段，电子设备价格低廉，模型构建复杂，因此此种分析方法并未能得到广泛应用。可靠性手册通过对大量工业产品数据计算，分析方法得到了行业与政府的认可，其中较为有名的是美国国防部颁布可靠性手册，并且在应用过程中，受到技术发展与环境变化、市场需求等方面因素的影响，可靠性手册已经发展成为了不同的版本。但是从另一方面来分析，技术进步、市场需求变化、新材料应用使得对设备可靠性产生影响的因素越来越多，而可靠性手册大多会存在一定假设性条件，因此在应用效果方面可能会存在缺陷。
2 半导体设备可靠性评估方法
2.1 基于故障概率统计功率半导体器件可靠性评估
此种评估方法需要对系统长期运行、故障率数据进行统计与分析，建立可靠性统计分析模型，研究周期长。有国外学者通过调查问卷方式对风力发电、光伏发电、工业等领域系统故障进行统计与分析，研究方法包括了数据整体统计、相关项统计，对不同的行业变流器组件进行可靠性分析。研究的结果表明了，在最容易失效的器件中，功率器件占据了较大比例。
2.2 利用可靠性手册对半导体器件可靠性进行分析
如图1所示，电子设备故障率通常会随时使用时间变化而相应变化，可以利用浴盆曲线对其形象描述。该曲线包括了3个阶段：早期失效、稳定失效期、损耗失效期等。早期失效主要是由于材料、设计、制造、安装环节存在问题导致的。随着工作时间的增加，故障出现的频率会逐渐降低。而在稳定失效期，故障发生的频率可以将其看作是稳定的，并且此阶段持续的时间较长。损耗失效是设备在使用较长时间后，由于零件磨损老化导致的不可避免失效。对于设备器件可靠性研究主要是研究设备器件在稳定失效期内故障出现的频率。可靠性手册通常假设在稳定期，设备故障率是保持不变的，基于指数概率分布。利用可靠性手册对器件可靠性进行分析，计算方法可以分为计数法与应力法。此种评估方法在光伏发电系统、普通开关电源、风电变流器中均有应用。
2.3 基于POF物理模型的可靠性分析
此模型能够对故障诱因进行解析，应用于可靠性评估能够将外部环境对器件的影响考虑其中。相关研究工作表明，利用此种模型对器件可靠性进行分析与评估，获得的结果能够确保较高的精确度。利用此种方式研究设备零件可靠性内容可以分为两个方面：一是对器件的失效机理进行分析；二是构建模型。
以IGBT模块为研究對象，此器件失效主要与器件工作过程受到应力作用相关，可能是受到偶然因素的影响，也可能是受到某些因素长期作用从而形成的必然性结果。前者主要包括了电应力与高温。基于POF故障模型只能对某一形式下组件失效进行评估，而功率器件失效的形式多样化，因此在对不同的失效形式进行评估的时候需要参考到不同的评估模型，评估工作开展工作量会增大，复杂程度也会增加。利用上述方法对器件可靠性进行评估，难以依据评估工作的结果对器件可靠性提升提出有效措施与针对性参考。
3 风电变流器功率半导体可靠性提升方法
3.1 基于功率平滑控制风电变流器可靠性改善
功率器件的热载荷波动主要受随机风速影响，随机风速变化会使器件损耗风机输出功率相应变化，导致其热载荷出现波动，解决问题可以在直流侧设置储能装置，或者对风力机桨距角进行控制，从而间接达成功率器件热载荷降低目的。通过储能装置，利用装置放电过程从而影响到热载荷波动，通过对风力机桨距进行调节，使电网有功功率波动而改变。
3.2 基于外部散热系统的功率半导体器件可靠性改善
以多层结构IGBT模块为例，工作过程中硅芯片产生的热量通过热传导方式散热，对其过程产生重要影响的因素是芯片散热器温差。从导热角度分析，对散热器温度调节使芯片热量传递受到影响，最终影响热载荷波动。通过构建冷却控制系统对风扇转速控制，达成散热器散热性能调节目标，工作过程中温度高于设定温度，风扇转速增大，从而达到降温效果。当工作温度低于设定温度，通过降低风扇转速或停止风扇工作，并加热功率模块从而使温度提升。可以在散热器与功率模块中间位置安装制冷器，建立半导体制冷器，功率模块散热器电热模型通过调节制冷器件电流对散热量进行控制，从而使功率模块热载荷得以间接平滑。
3.3 功率损耗控制半导体器件可靠性提升
功率损耗与热载荷之间存在密切关联，因此通过影响器件损耗也能够实现热载荷波动平滑目标。器材损耗包括了开关损耗、导通损耗，开关损耗主要指的是在关段已开通阶段，由于电压与电流存在波动从而产生交叠区域而导致损耗。解决开关损耗，直观方案是利用软开关技术，但是该技术应用使硬件复杂程度增加，控制难度增大并且系统整体可靠性提升不确定。功率模块热损耗控制可以利用负载电流条件开关频率调节等方法，方法虽然存在差异，但其基本思想是一致的，都是基于模糊控制理论。通过对变频调速、电气参数进行采样，对结温在线预测，对变流器电流与功率器件结温进行控制。温度大于设定值，对开关频率进行调节，从而达到降温效果。如果未能有效达成目标则需要降低系统输出电流，对器件电流调节或控制无功功率，也能达成热载荷波动减缓目标，但同时也会对变流器功率输出造成影响。
4 结语
通过对风机系统故障统计结果研究，功率变流器是风扇发电的核心组件，同时也是失效组件。其原因主要是功率半导体封装失效，而失效与半导体所处环境存在密切关联。风电变流器应用于实际工作需要考虑的外部环境变化影响，并针对影响因素提出措施，从而使可靠性得到提升。设备可靠性提升为系统正常运行提供保障，风力发电发展前景十分广阔，能够为能源问题解决提供保障，因此需要保障其核心部件正常稳定工作。
参考文献
[1] 李辉，季海婷，秦星，等.考虑运行功率变化影响的风电变流器可靠性评估[J].电力自动化设备，2015（5）：1-8.
[2] 杜雄，李高显，孙鹏菊，等.考虑基频结温波动的风电变流器可靠性评估[J].电工技术学报，2015（10）：258-265.
关键词：风电变流器 功率半导体 可靠性评估
中图分类号：TM46 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2018）01（c）-0023-02
变流器可靠性提升在设计阶段可以通过系统拓扑结构优化，或者是采用可靠性较高的元件，运行阶段可以利用故障容错技术，比如故障预警、状态监测、冗余设计。其中故障预警与状态监测能够指导系统维护工作开展，降低维护工作成本。变流器可靠性提升要从各个方面采取措施，才能达成效果。
1 功率半导体器件可靠性分析
半导体器件在使用过程中，可靠性会受到多种因素影响，可以将其分为外部因素与内部因素，因此对其可靠性进行评估难度较大。对可靠性的标准定义是产品在使用时间内，在工作环境下其执行功能概率。可靠性概念中，关注环境与时间，如何解析器件失效机理，建立体现器件使用生命与环境之间的关系，对于器件可靠性预测工作有重要影响。
对器件可靠性预测，可以通过PoF故障物理模型达成目标，早期研究阶段，电子设备价格低廉，模型构建复杂，因此此种分析方法并未能得到广泛应用。可靠性手册通过对大量工业产品数据计算，分析方法得到了行业与政府的认可，其中较为有名的是美国国防部颁布可靠性手册，并且在应用过程中，受到技术发展与环境变化、市场需求等方面因素的影响，可靠性手册已经发展成为了不同的版本。但是从另一方面来分析，技术进步、市场需求变化、新材料应用使得对设备可靠性产生影响的因素越来越多，而可靠性手册大多会存在一定假设性条件，因此在应用效果方面可能会存在缺陷。
2 半导体设备可靠性评估方法
2.1 基于故障概率统计功率半导体器件可靠性评估
此种评估方法需要对系统长期运行、故障率数据进行统计与分析，建立可靠性统计分析模型，研究周期长。有国外学者通过调查问卷方式对风力发电、光伏发电、工业等领域系统故障进行统计与分析，研究方法包括了数据整体统计、相关项统计，对不同的行业变流器组件进行可靠性分析。研究的结果表明了，在最容易失效的器件中，功率器件占据了较大比例。
2.2 利用可靠性手册对半导体器件可靠性进行分析
如图1所示，电子设备故障率通常会随时使用时间变化而相应变化，可以利用浴盆曲线对其形象描述。该曲线包括了3个阶段：早期失效、稳定失效期、损耗失效期等。早期失效主要是由于材料、设计、制造、安装环节存在问题导致的。随着工作时间的增加，故障出现的频率会逐渐降低。而在稳定失效期，故障发生的频率可以将其看作是稳定的，并且此阶段持续的时间较长。损耗失效是设备在使用较长时间后，由于零件磨损老化导致的不可避免失效。对于设备器件可靠性研究主要是研究设备器件在稳定失效期内故障出现的频率。可靠性手册通常假设在稳定期，设备故障率是保持不变的，基于指数概率分布。利用可靠性手册对器件可靠性进行分析，计算方法可以分为计数法与应力法。此种评估方法在光伏发电系统、普通开关电源、风电变流器中均有应用。
2.3 基于POF物理模型的可靠性分析
此模型能够对故障诱因进行解析，应用于可靠性评估能够将外部环境对器件的影响考虑其中。相关研究工作表明，利用此种模型对器件可靠性进行分析与评估，获得的结果能够确保较高的精确度。利用此种方式研究设备零件可靠性内容可以分为两个方面：一是对器件的失效机理进行分析；二是构建模型。
以IGBT模块为研究對象，此器件失效主要与器件工作过程受到应力作用相关，可能是受到偶然因素的影响，也可能是受到某些因素长期作用从而形成的必然性结果。前者主要包括了电应力与高温。基于POF故障模型只能对某一形式下组件失效进行评估，而功率器件失效的形式多样化，因此在对不同的失效形式进行评估的时候需要参考到不同的评估模型，评估工作开展工作量会增大，复杂程度也会增加。利用上述方法对器件可靠性进行评估，难以依据评估工作的结果对器件可靠性提升提出有效措施与针对性参考。
3 风电变流器功率半导体可靠性提升方法
3.1 基于功率平滑控制风电变流器可靠性改善
功率器件的热载荷波动主要受随机风速影响，随机风速变化会使器件损耗风机输出功率相应变化，导致其热载荷出现波动，解决问题可以在直流侧设置储能装置，或者对风力机桨距角进行控制，从而间接达成功率器件热载荷降低目的。通过储能装置，利用装置放电过程从而影响到热载荷波动，通过对风力机桨距进行调节，使电网有功功率波动而改变。
3.2 基于外部散热系统的功率半导体器件可靠性改善
以多层结构IGBT模块为例，工作过程中硅芯片产生的热量通过热传导方式散热，对其过程产生重要影响的因素是芯片散热器温差。从导热角度分析，对散热器温度调节使芯片热量传递受到影响，最终影响热载荷波动。通过构建冷却控制系统对风扇转速控制，达成散热器散热性能调节目标，工作过程中温度高于设定温度，风扇转速增大，从而达到降温效果。当工作温度低于设定温度，通过降低风扇转速或停止风扇工作，并加热功率模块从而使温度提升。可以在散热器与功率模块中间位置安装制冷器，建立半导体制冷器，功率模块散热器电热模型通过调节制冷器件电流对散热量进行控制，从而使功率模块热载荷得以间接平滑。
3.3 功率损耗控制半导体器件可靠性提升
功率损耗与热载荷之间存在密切关联，因此通过影响器件损耗也能够实现热载荷波动平滑目标。器材损耗包括了开关损耗、导通损耗，开关损耗主要指的是在关段已开通阶段，由于电压与电流存在波动从而产生交叠区域而导致损耗。解决开关损耗，直观方案是利用软开关技术，但是该技术应用使硬件复杂程度增加，控制难度增大并且系统整体可靠性提升不确定。功率模块热损耗控制可以利用负载电流条件开关频率调节等方法，方法虽然存在差异，但其基本思想是一致的，都是基于模糊控制理论。通过对变频调速、电气参数进行采样，对结温在线预测，对变流器电流与功率器件结温进行控制。温度大于设定值，对开关频率进行调节，从而达到降温效果。如果未能有效达成目标则需要降低系统输出电流，对器件电流调节或控制无功功率，也能达成热载荷波动减缓目标，但同时也会对变流器功率输出造成影响。
4 结语
通过对风机系统故障统计结果研究，功率变流器是风扇发电的核心组件，同时也是失效组件。其原因主要是功率半导体封装失效，而失效与半导体所处环境存在密切关联。风电变流器应用于实际工作需要考虑的外部环境变化影响，并针对影响因素提出措施，从而使可靠性得到提升。设备可靠性提升为系统正常运行提供保障，风力发电发展前景十分广阔，能够为能源问题解决提供保障，因此需要保障其核心部件正常稳定工作。
参考文献
[1] 李辉，季海婷，秦星，等.考虑运行功率变化影响的风电变流器可靠性评估[J].电力自动化设备，2015（5）：1-8.
[2] 杜雄，李高显，孙鹏菊，等.考虑基频结温波动的风电变流器可靠性评估[J].电工技术学报，2015（10）：258-265.