單相組合式同相供電裝置可靠性研究
發(fā)布時間：2021-03-08 21:02
目前,我國電氣化鐵道已經進入到高速化、重載化的階段,傳統(tǒng)的牽引供電系統(tǒng)將逐漸無法滿足其需求。新興的同相供電系統(tǒng)同時解決了電分相以及電能質量問題,能夠很好的適應電氣化鐵道的發(fā)展,成為了近年來的熱點研究項目。單相組合式同相供電系統(tǒng)因其容量利用率高和占地面積小等優(yōu)勢尤其受到關注,而對于電氣化鐵道而言最重要的是能夠安全穩(wěn)定的運行,因此其可靠性的研究存在極為重要的意義。本文以單相組合式同相供電裝置（Co-phase Compensation Device,CPD）為研究對象,針對傳統(tǒng)的單相組合式CPD和一種基于模塊化多電平變換器（Modular Multilevel Converter,MMC）的單相組合式同相供電裝置MMC-CPD完成可靠性評估,并對MMC-CPD的冗余配置進行優(yōu)化。本文的主要研究內容如下:（1）本文首先對組合式同相供電系統(tǒng)做簡要描述,對其傳統(tǒng)的級聯式拓撲結構以及基于MMC的拓撲結構進行分析,并闡述了MMC的運行原理。對比CPD的結構可靠性分析方法,選擇適用于本文的可靠性模型。再而介紹CPD主要器件的可靠性分析方法,并說明CPD可靠性評估流程。（2）結合絕緣柵雙極型晶體管（In...
【文章來源】：蘭州交通大學甘肅省
【文章頁數】：58 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
IGBT模塊網格劃分示意圖
蘭州交通大學工程碩士學位論文-23-圖3.4IGBT模塊網格劃分示意圖第四步：添加物理場，將電流嘗固體力學、固體傳熱等物理場添加進入模型開發(fā)組件，其次根據前文所提到應力關系和電-熱-力耦合關系在各個物理場中輸入對應的求解方程和耦合公式。3.1.3仿真分析(1)模型驗證以前文所搭建的模型為基礎，施加載荷為輸入模塊的電流有效值3.14A，將初始環(huán)境溫度設置為293.15K，并約束基板下層溫度保持在293.15K。經過有限元仿真分析，穩(wěn)態(tài)下溫度分布如下圖所示。從圖3.5(a)，圖3.5(b)可以看出，溫度最高的部位為鍵合線與硅芯片鍵合處，最高溫度為301K。圖3.6(a)，圖3.6(b)為溫度等值面，溫度的分布由鍵合線與硅芯片鍵合處向外弧狀減弱。(a)溫度表面分布(b)溫度截面分布圖3.5IGBT模塊穩(wěn)態(tài)溫度分布圖
用于組合式同相供電的電力電子變壓器拓撲及運行分析-24-(a)溫度等值面分布(b)溫度等值面截面分布圖3.6IGBT模塊穩(wěn)態(tài)溫度等值面分布圖IGBT模塊的應力分布如圖3.7所示，通過前文的分析可知，溫度對熱膨脹系數不同的各個材料有非常大的影響。因此，在鍵合線鍵合處以及焊料層處受到的應力較大，所受應力最大的部位為鍵合線與硅芯片接觸部位。根據前文分析可知，在應力長期作用下產生的累積疲勞最終會導致其失效。可見鍵合線與芯片接觸位置為IGBT模塊可靠性薄弱環(huán)節(jié)。本文仿真結果與文獻[50]所得結論相符，驗證仿真模型正確。圖3.7IGBT模塊應力分布圖(2)熱疲勞仿真計算由前文分析可知IGBT模塊主要失效原因是鍵合線變形或者脫落造成的，為了簡化
【參考文獻】：
期刊論文
[1]IGBT模塊失效機理及狀態(tài)監(jiān)測研究綜述[J]. 王希平,丁祥寬,姚芳,唐圣學,李志剛. 中國電力. 2019(09)
[2]電力電子變壓器的高速鐵路同相供電系統(tǒng)及控制方法[J]. 夏焰坤. 電力系統(tǒng)及其自動化學報. 2019(05)
[3]計及運行工況的MMC換流閥可靠性建模與分析[J]. 李輝,鄧吉利,姚然,賴偉,康升揚,江澤申,李金元,李堯圣. 電力自動化設備. 2018(10)
[4]溫州市域鐵路S1線同相供電系統(tǒng)方案研究[J]. 張曉芳,方曼琪. 電氣化鐵道. 2018(04)
[5]基于Semi-Markov的模塊化多電平換流器的可靠性分析及其冗余配置策略[J]. 黃守道,付雪婷,饒宏,周保榮,榮飛. 電力自動化設備. 2018(07)
[6]考慮系統(tǒng)損耗的MMC換流閥冗余配置策略[J]. 黃守道,王海寧,榮飛,饒宏,周保榮. 電力系統(tǒng)保護與控制. 2018(06)
[7]基于器件結溫的同相補償變流器可靠性評估[J]. 劉飛,解紹鋒,侯東光,周婷,張曉芳. 電力自動化設備. 2018(01)
[8]基于故障樹分析法的配電自動化實用化運維指標研究[J]. 黃曉明,凌萬水,吳棟萁,楊濤. 電力系統(tǒng)保護與控制. 2017(24)
[9]同相供電系統(tǒng)潮流控制器可靠性建模與冗余分析[J]. 陳民武,宋雅琳,劉琛,解紹鋒,朱遠帆. 電網技術. 2017(12)
[10]同相供電直掛變流器拓撲結構與容量匹配關系[J]. 黃小紅,李群湛,楊乃琪. 西南交通大學學報. 2017(02)
博士論文
[1]壓接型IGBT器件內部電—熱—力多物理場耦合模型研究[D]. 鄧二平.華北電力大學(北京) 2018
[2]功率半導體模塊電、熱特性分析及應用[D]. 朱楠.浙江大學 2018
碩士論文
[1]IGBT功率模塊鍵合線失效分析與研究[D]. 岳亞靜.天津理工大學 2019
[2]同相供電裝置可靠性評估及改善措施研究[D]. 宋雅琳.西南交通大學 2018
[3]雙饋風電變流器IGBT功率模塊動態(tài)結溫計算及壽命預測[D]. 白鵬飛.重慶大學 2018
[4]基于有限元法的壓接型IGBT器件單芯片子模組疲勞壽命預測[D]. 張經緯.華北電力大學(北京) 2018
[5]組合式同相供電系統(tǒng)的容量分析及MMC仿真研究[D]. 常文寰.蘭州交通大學 2017
[6]考慮結溫波動的同相補償變流器可靠性評估[D]. 劉飛.西南交通大學 2017
[7]組合式同相供電系統(tǒng)模塊化多電平變流器研究[D]. 林志偉.西南交通大學 2017
[8]基于MMC的同相供電變流器控制策略研究[D]. 董小鵬.西南交通大學 2017
[9]絕緣柵雙極型晶體管的失效分析和可靠性評估方法研究[D]. 李亞妮.華北電力大學(北京) 2016
[10]基于MMC的同相供電變流器研究[D]. 楊云森.西南交通大學 2015
本文編號：3071668
【文章來源】：蘭州交通大學甘肅省
【文章頁數】：58 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
IGBT模塊網格劃分示意圖
蘭州交通大學工程碩士學位論文-23-圖3.4IGBT模塊網格劃分示意圖第四步：添加物理場，將電流嘗固體力學、固體傳熱等物理場添加進入模型開發(fā)組件，其次根據前文所提到應力關系和電-熱-力耦合關系在各個物理場中輸入對應的求解方程和耦合公式。3.1.3仿真分析(1)模型驗證以前文所搭建的模型為基礎，施加載荷為輸入模塊的電流有效值3.14A，將初始環(huán)境溫度設置為293.15K，并約束基板下層溫度保持在293.15K。經過有限元仿真分析，穩(wěn)態(tài)下溫度分布如下圖所示。從圖3.5(a)，圖3.5(b)可以看出，溫度最高的部位為鍵合線與硅芯片鍵合處，最高溫度為301K。圖3.6(a)，圖3.6(b)為溫度等值面，溫度的分布由鍵合線與硅芯片鍵合處向外弧狀減弱。(a)溫度表面分布(b)溫度截面分布圖3.5IGBT模塊穩(wěn)態(tài)溫度分布圖
用于組合式同相供電的電力電子變壓器拓撲及運行分析-24-(a)溫度等值面分布(b)溫度等值面截面分布圖3.6IGBT模塊穩(wěn)態(tài)溫度等值面分布圖IGBT模塊的應力分布如圖3.7所示，通過前文的分析可知，溫度對熱膨脹系數不同的各個材料有非常大的影響。因此，在鍵合線鍵合處以及焊料層處受到的應力較大，所受應力最大的部位為鍵合線與硅芯片接觸部位。根據前文分析可知，在應力長期作用下產生的累積疲勞最終會導致其失效。可見鍵合線與芯片接觸位置為IGBT模塊可靠性薄弱環(huán)節(jié)。本文仿真結果與文獻[50]所得結論相符，驗證仿真模型正確。圖3.7IGBT模塊應力分布圖(2)熱疲勞仿真計算由前文分析可知IGBT模塊主要失效原因是鍵合線變形或者脫落造成的，為了簡化
【參考文獻】：
期刊論文
[1]IGBT模塊失效機理及狀態(tài)監(jiān)測研究綜述[J]. 王希平,丁祥寬,姚芳,唐圣學,李志剛. 中國電力. 2019(09)
[2]電力電子變壓器的高速鐵路同相供電系統(tǒng)及控制方法[J]. 夏焰坤. 電力系統(tǒng)及其自動化學報. 2019(05)
[3]計及運行工況的MMC換流閥可靠性建模與分析[J]. 李輝,鄧吉利,姚然,賴偉,康升揚,江澤申,李金元,李堯圣. 電力自動化設備. 2018(10)
[4]溫州市域鐵路S1線同相供電系統(tǒng)方案研究[J]. 張曉芳,方曼琪. 電氣化鐵道. 2018(04)
[5]基于Semi-Markov的模塊化多電平換流器的可靠性分析及其冗余配置策略[J]. 黃守道,付雪婷,饒宏,周保榮,榮飛. 電力自動化設備. 2018(07)
[6]考慮系統(tǒng)損耗的MMC換流閥冗余配置策略[J]. 黃守道,王海寧,榮飛,饒宏,周保榮. 電力系統(tǒng)保護與控制. 2018(06)
[7]基于器件結溫的同相補償變流器可靠性評估[J]. 劉飛,解紹鋒,侯東光,周婷,張曉芳. 電力自動化設備. 2018(01)
[8]基于故障樹分析法的配電自動化實用化運維指標研究[J]. 黃曉明,凌萬水,吳棟萁,楊濤. 電力系統(tǒng)保護與控制. 2017(24)
[9]同相供電系統(tǒng)潮流控制器可靠性建模與冗余分析[J]. 陳民武,宋雅琳,劉琛,解紹鋒,朱遠帆. 電網技術. 2017(12)
[10]同相供電直掛變流器拓撲結構與容量匹配關系[J]. 黃小紅,李群湛,楊乃琪. 西南交通大學學報. 2017(02)
博士論文
[1]壓接型IGBT器件內部電—熱—力多物理場耦合模型研究[D]. 鄧二平.華北電力大學(北京) 2018
[2]功率半導體模塊電、熱特性分析及應用[D]. 朱楠.浙江大學 2018
碩士論文
[1]IGBT功率模塊鍵合線失效分析與研究[D]. 岳亞靜.天津理工大學 2019
[2]同相供電裝置可靠性評估及改善措施研究[D]. 宋雅琳.西南交通大學 2018
[3]雙饋風電變流器IGBT功率模塊動態(tài)結溫計算及壽命預測[D]. 白鵬飛.重慶大學 2018
[4]基于有限元法的壓接型IGBT器件單芯片子模組疲勞壽命預測[D]. 張經緯.華北電力大學(北京) 2018
[5]組合式同相供電系統(tǒng)的容量分析及MMC仿真研究[D]. 常文寰.蘭州交通大學 2017
[6]考慮結溫波動的同相補償變流器可靠性評估[D]. 劉飛.西南交通大學 2017
[7]組合式同相供電系統(tǒng)模塊化多電平變流器研究[D]. 林志偉.西南交通大學 2017
[8]基于MMC的同相供電變流器控制策略研究[D]. 董小鵬.西南交通大學 2017
[9]絕緣柵雙極型晶體管的失效分析和可靠性評估方法研究[D]. 李亞妮.華北電力大學(北京) 2016
[10]基于MMC的同相供電變流器研究[D]. 楊云森.西南交通大學 2015
本文編號：3071668
本文鏈接：http://sikaile.net/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/3071668.html
