本文關(guān)鍵詞：風(fēng)電變流器中功率半導(dǎo)體器件可靠性評(píng)估及其改善措施的研究

  更多相關(guān)文章： 可靠性 IGBT模塊 基頻周期結(jié)溫 低頻周期結(jié)溫 空間矢量調(diào)制

【摘要】：傳統(tǒng)化石能源的局限性促使了新能源發(fā)電的應(yīng)用與發(fā)展,尤其是風(fēng)力發(fā)電。然而調(diào)查結(jié)果表明,作為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的核心組件,功率變流器是其最薄弱的環(huán)節(jié)之一,其可靠性在很大程度上歸因于功率器件的失效,因此亟需對(duì)功率半導(dǎo)體器件進(jìn)行可靠性評(píng)估,并提出更具針對(duì)性的改善措施。功率器件失效主要是與封裝有關(guān)的失效,且在很大程度上歸因于功率器件所承受的熱載荷波動(dòng),因此評(píng)估功率器件的熱載荷是評(píng)估其可靠性的先決條件,而減緩功率器件熱載荷的波動(dòng)程度是提高其可靠性的有效手段。以功率半導(dǎo)體器件IGBT模塊為研究對(duì)象,為計(jì)入長(zhǎng)期外部環(huán)境變化對(duì)風(fēng)電變流器中功率器件可靠性的影響,本文提出了一種功率器件長(zhǎng)期熱載荷評(píng)估方法,進(jìn)而通過(guò)建立長(zhǎng)期熱載荷的多時(shí)間尺度模型,評(píng)估了功率器件的可靠性;根據(jù)功率器件壽命消耗的分布特點(diǎn),本文提出了一種用于指導(dǎo)功率器件熱載荷管理的宏觀策略,可用于提高功率半導(dǎo)體器件的可靠性。論文主要工作如下:首先,功率器件的失效主要受熱載荷影響,且風(fēng)電變流器中功率器件熱載荷受風(fēng)速和氣溫等外部環(huán)境的影響,而外部環(huán)境因素具有日晝和季節(jié)變化的分布特點(diǎn),因此功率器件的熱載荷評(píng)估應(yīng)計(jì)入長(zhǎng)期外部環(huán)境變化的影響。為此,本文在分析功率器件熱載荷分布特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,基于電熱比擬理論,提出了一種功率器件結(jié)溫?cái)?shù)值計(jì)算方法,通過(guò)與IPOSIM電熱仿真、解析計(jì)算方法和基于紅外熱成像儀的IGBT結(jié)溫實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法進(jìn)行比較。結(jié)果表明:在計(jì)入風(fēng)電場(chǎng)中長(zhǎng)時(shí)間風(fēng)速和氣溫等環(huán)境因素的情況下,結(jié)溫?cái)?shù)值計(jì)算方法能夠快速而準(zhǔn)確的評(píng)估出功率器件的長(zhǎng)期熱載荷。其次,功率器件的長(zhǎng)期熱載荷具有多時(shí)間尺度的分布特點(diǎn),不同時(shí)間尺度的熱載荷將導(dǎo)致不同的功率器件壽命消耗,因此分析多時(shí)間尺度壽命消耗的分布特點(diǎn),有可能提出更具針對(duì)性的可靠性改善措施。為此,本文基于風(fēng)電變流器中IGBT模塊長(zhǎng)期熱載荷的多時(shí)間尺度分布,建立了用于評(píng)估多時(shí)間尺度壽命消耗的壽命模型,并分析了功率器件壽命消耗的分布特點(diǎn)。結(jié)果表明:所提出的多時(shí)間尺度壽命模型能夠合理評(píng)估功率器件因不同時(shí)間尺度熱載荷而導(dǎo)致的壽命消耗;功率器件因基頻熱載荷而消耗的壽命主要集中在風(fēng)速概率較小而風(fēng)速較高的區(qū)域,而因低頻熱載荷而導(dǎo)致的壽命消耗主要?dú)w因于概率較小而幅值較大的熱載荷波動(dòng)。最后,減緩功率器件長(zhǎng)期熱載荷的波動(dòng)程度能夠提高功率器件的可靠性,然而目前的實(shí)時(shí)熱載荷管理有可能對(duì)變流器系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生一定的負(fù)面影響,因此需要研究更具針對(duì)性的功率器件可靠性改善措施。為此,基于功率器件不同時(shí)間尺度壽命消耗的分布特點(diǎn),本文提出了一種用于指導(dǎo)功率器件熱載荷管理的宏觀策略,以矢量調(diào)制序列為變量,利用結(jié)溫?cái)?shù)值計(jì)算方法和基于熱成像儀的結(jié)溫測(cè)量方法分析了不同調(diào)制策略間功率器件結(jié)溫的差異,并比較了調(diào)制策略對(duì)功率器件可靠性和變流器電能質(zhì)量的影響,進(jìn)而提出了一種混合空間矢量調(diào)制方法。結(jié)果表明:與連續(xù)調(diào)制序列相比,當(dāng)變流器采用不連續(xù)調(diào)制序列時(shí),功率器件壽命消耗雖然大幅降低,但是變流器電能質(zhì)量較差,尤其在低調(diào)制因數(shù)區(qū)間;所提出的混合調(diào)制序列不僅能夠大幅降低功率器件的壽命消耗,而且能夠滿足風(fēng)機(jī)并網(wǎng)對(duì)電能質(zhì)量的要求,因此初步驗(yàn)證了所提出的變流器熱管理宏觀策略的合理性。
【關(guān)鍵詞】：可靠性 IGBT模塊 基頻周期結(jié)溫 低頻周期結(jié)溫 空間矢量調(diào)制
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TM614;TM46
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 1 緒論9-25
• 1.1 引言9
• 1.2 功率半導(dǎo)體器件可靠性相關(guān)研究的分析9-23
• 1.2.1 功率半導(dǎo)體器件可靠性評(píng)估的研究?jī)?nèi)容9-17
• 1.2.2 提高功率半導(dǎo)體器件可靠性的研究?jī)?nèi)容17-22
• 1.2.3 目前存在的主要問(wèn)題22-23
• 1.3 論文研究的主要內(nèi)容23-25
• 2 風(fēng)電變流器中功率半導(dǎo)體器件的熱載荷評(píng)估25-45
• 2.1 引言25
• 2.2 風(fēng)電變流器中IGBT模塊結(jié)溫評(píng)估的流程25-30
• 2.2.1 風(fēng)機(jī)系統(tǒng)功率輸出特性26-28
• 2.2.2 變流器中IGBT模塊的功率損耗模型28-29
• 2.2.3 變流器中IGBT模塊的熱網(wǎng)絡(luò)模型29-30
• 2.3 IGBT模塊的結(jié)溫?cái)?shù)值計(jì)算方法30-34
• 2.3.1 IGBT模塊開(kāi)關(guān)周期的結(jié)溫計(jì)算31-32
• 2.3.2 IGBT模塊基頻周期的結(jié)溫計(jì)算32-34
• 2.4 結(jié)溫?cái)?shù)值計(jì)算方法的數(shù)值比較34-37
• 2.5 結(jié)溫?cái)?shù)值計(jì)算方法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證37-44
• 2.5.1 基于紅外熱成像儀的IGBT結(jié)溫在線測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)38-40
• 2.5.2 基于紅外熱成像儀測(cè)量IGBT結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)比較40-44
• 2.6 本章小結(jié)44-45
• 3 風(fēng)電變流器中功率半導(dǎo)體器件的可靠性評(píng)估45-59
• 3.1 引言45
• 3.2 風(fēng)電變流器IGBT模塊可靠性的多時(shí)間尺度評(píng)估45-52
• 3.2.1 風(fēng)電變流器中IGBT模塊多時(shí)間尺度壽命評(píng)估流程45-47
• 3.2.2 IGBT模塊的多時(shí)間尺度熱載荷47-50
• 3.2.3 IGBT模塊的多時(shí)間尺度壽命模型50-52
• 3.3 IGBT模塊的多時(shí)間尺度壽命消耗的評(píng)估結(jié)果52-56
• 3.3.1 IGBT模塊可靠性的多時(shí)間尺度評(píng)估52-53
• 3.3.2 IGBT模塊多時(shí)間尺度壽命消耗的分布規(guī)律53-56
• 3.4 氣溫波動(dòng)對(duì)IGBT模塊不同時(shí)間尺度壽命消耗的影響56-58
• 3.5 本章小結(jié)58-59
• 4 提高風(fēng)電變流器中功率半導(dǎo)體器件可靠性的措施59-69
• 4.1 引言59
• 4.2 基于功率器件壽命消耗分布的變流器熱管理思路59-61
• 4.3 空間矢量調(diào)制策略對(duì)風(fēng)電變流器的影響61-65
• 4.3.1 不同空間矢量調(diào)制策略下IGBT模塊的壽命評(píng)估62-63
• 4.3.2 空間矢量調(diào)制策略對(duì)變流器電能質(zhì)量的影響63-65
• 4.4 風(fēng)電變流器中IGBT模塊可靠性的混合調(diào)制方法65-67
• 4.4.1 混合調(diào)制序列下IGBT模塊的壽命評(píng)估65-67
• 4.4.2 變流器電能質(zhì)量的數(shù)值分析67
• 4.5 本章小結(jié)67-69
• 5 結(jié)論與展望69-71
• 5.1 論文工作總結(jié)69-70
• 5.2 后續(xù)研究工作展望70-71
• 致謝71-73
• 參考文獻(xiàn)73-81
• 附錄81-82
• A. 作者在攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文目錄81-82
• B. 作者在攻讀碩士學(xué)位期間申請(qǐng)的發(fā)明專利82
• C. 作者在攻讀碩士學(xué)位期間參與的科研項(xiàng)目82

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前2條

1 周雒維;吳軍科;杜雄;楊珍貴;毛婭婕;;功率變流器的可靠性研究現(xiàn)狀及展望[J];電源學(xué)報(bào);2013年01期

2 潘武略;徐政;張靜;王超;;電壓源換流器型直流輸電換流器損耗分析[J];中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào);2008年21期

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本文編號(hào)：905451