可靠性技術(shù)由于具備廣闊的應(yīng)用前景和顯著的優(yōu)勢,受到了學(xué)術(shù)和企業(yè)界的廣泛關(guān)注。近年來由于新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,電力電子變換器的可靠性一直是國際可靠性領(lǐng)域的熱門研究方向。為了保證逆變系統(tǒng)的可靠性,除了優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),還需要評(píng)估電力電子變換器在給定的環(huán)境下穩(wěn)定工作的能力。并從設(shè)計(jì)的角度出發(fā),找出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié),研究故障的根源。從而在設(shè)計(jì)階段就能根據(jù)可能遇到的問題預(yù)測系統(tǒng)壽命,進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。為了解決傳統(tǒng)Y源逆變器存在的電壓尖峰、啟動(dòng)沖擊電流、輸入電流斷續(xù)、升壓比丟失等一系列問題,本文提出一種改進(jìn)型的Y源逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。并通過仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果,驗(yàn)證改進(jìn)型Y源逆變器的優(yōu)越性。在改進(jìn)型Y源逆變器的基礎(chǔ)上,通過對(duì)IGBT模塊和電容器兩個(gè)易損部件失效機(jī)制的研究,為改進(jìn)型Y源逆變器關(guān)鍵器件的壽命預(yù)測方法提供基礎(chǔ)。在IGBT模塊方面,本文深入研究其電氣和封裝結(jié)構(gòu),并總結(jié)出IGBT模塊的主要失效原因、故障部位和失效物理機(jī)制,從而建立了IGBT模塊的壽命模型。通過現(xiàn)有的加速老化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),確定了IGBT模塊壽命模型參數(shù)。在電容器方面,比較分析了各種電容器的應(yīng)用場景和優(yōu)缺點(diǎn)。針對(duì)電容器在改進(jìn)Y源逆變器使用過程中存在的可靠性問題,深入研究了其故障機(jī)制和失效模式,并選擇合理的電容壽命預(yù)測模型。最后,在光伏逆變應(yīng)用場景下,提出基于任務(wù)剖面的改進(jìn)型Y源逆變器關(guān)鍵器件壽命預(yù)測方法。建立Y源逆變器IGBT模塊的電-熱模型,利用線性疲勞累積理論,通過雨流計(jì)數(shù)法,預(yù)測IGBT的疲勞壽命。提取給定任務(wù)剖面中的電容紋波,結(jié)合電容壽命公式和環(huán)境溫度,給出改進(jìn)型Y源逆變器中電容的預(yù)測壽命。將改進(jìn)型Y源逆變器關(guān)鍵器件的壽命預(yù)測結(jié)果與傳統(tǒng)Y源逆變器進(jìn)行比較分析,驗(yàn)證改進(jìn)型Y源逆變器在可靠性方面的提升。通過搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),驗(yàn)證含有吸收回路的Y源逆變器拓?fù)涞膬?yōu)越性能。在此基礎(chǔ)上,基于IGBT模塊和電容器的可靠性研究和建模,并以改進(jìn)型Y源逆變器為例,創(chuàng)造性地提出逆變器關(guān)鍵器件壽命預(yù)測的可靠性有效的評(píng)估手段,為逆變器的可靠性設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TM464
【部分圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文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) 源逆變器的啟動(dòng)電流 (b) 改進(jìn)型 Y 源逆變器的啟圖 2-8 啟動(dòng)沖擊電流比較

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文當(dāng) IGBT 兩端電壓 Uce小于零時(shí)，由于底端的 PN 結(jié)處于反偏狀態(tài)，無論的溝道是否打開，電流都不能從集電極和發(fā)射極之間通過。因此，IGBT 底 PN 結(jié)具有反向阻斷電流的能力。當(dāng) IGBT 兩端電壓 Uce大于零，柵極-發(fā)電壓 Uge為零時(shí)，中間的 PN 結(jié)處于反偏狀態(tài)，頂端部分的溝道區(qū)域中不能有效的導(dǎo)電溝道，所以集電極電流為零。只有當(dāng) Uce大于零且 Uge大于 IG開啟電壓時(shí)，柵極附近的 P+區(qū)域形成導(dǎo)電溝道，使得 IGBT 正向?qū)ā?.2 IGBT 模塊的封裝結(jié)構(gòu)由圖 3-3 可以看出，IGBT 模塊擁有明顯的層級(jí)結(jié)構(gòu)，大致可以分為芯接銅鍵合襯底(DBC)和基板。如果加上層與層之間的焊錫層，IGBT 功率模可細(xì)分為 7 層。由前文可知 IGBT 是在 BJT 的基礎(chǔ)上結(jié)合了 MOSFET 的優(yōu)展而來的，但和 BJT 不同的是 IGBT 模塊內(nèi)部的陰極和陽極并沒有金屬層是從芯片表面直接引出焊線或覆蓋于 DBC 的上層銅板。發(fā)射極 柵極 集電極覆銅

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文電容器的壽命可以用兩種基本的故障類型來描述，即災(zāi)難性故障和退化故障。災(zāi)難性故障是指電路中電容器的功能完全喪失。這些故障可能導(dǎo)致開路或短路、電容器爆炸、介質(zhì)破壞、對(duì)其他電氣元件的損害或電容器內(nèi)部液體或氣體的泄漏。退化故障是指電容參數(shù)超出其可承受的性能范圍極限。對(duì)于不同的制造商，電容器可承受的最大性能極限差異很大。這些極限體現(xiàn)在漏電流的增加、等效串聯(lián)電阻 ESR 的增加(電解電容 ESR 增加 300%、金屬化薄膜電容增加 150%)、介電值的降低(電解電容降低 40%)或電容容值的降低(電解電容通常為 20%、金屬化薄膜電容通常為 10%)。電解電容容易發(fā)生災(zāi)難性故障，而金屬化薄膜電容器則易發(fā)生退化故障。圖 4-5 給出了電容器瞬間故障和老化故障的示意圖。
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本文編號(hào)：2874596