功率變流器的可靠性研究現(xiàn)狀及展望

周雒維，吳軍科，杜 雄，楊珍貴，毛婭婕

(重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400044)

引言

功率變流器是一類在機(jī)車牽引、電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)、航空電源、可再生能源并網(wǎng)發(fā)電等工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的電力電子設(shè)備。處理功率的隨機(jī)波動(dòng)性是此類裝置的一個(gè)典型特點(diǎn)，加上運(yùn)行工況的復(fù)雜性，使得變流裝置中功率模塊承受不均衡的電熱應(yīng)力，容易引起老化失效等可靠性問題，從而降低變流器的可靠性，減少設(shè)備的使用壽命。因此，可靠性問題是該類裝置在實(shí)際應(yīng)用中需要關(guān)注的重要問題。在可再生能源并網(wǎng)發(fā)電中，功率變流器實(shí)際上是一個(gè)連接發(fā)電網(wǎng)和公用電網(wǎng)的接口，系統(tǒng)要求變流設(shè)備具有和傳統(tǒng)電力設(shè)備相近的可靠性，從而保證整個(gè)電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行。但實(shí)際上由于一次能源的不穩(wěn)定和劇烈波動(dòng)性，可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的可靠性并不高[1]。實(shí)際上，在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)和機(jī)車牽引領(lǐng)域的功率變流裝置也面臨同樣的可靠性問題。因而功率變流器的低可靠性現(xiàn)狀與系統(tǒng)對(duì)其高可靠性要求構(gòu)成了矛盾。因此，功率變流器的可靠性問題已成為大功率變流技術(shù)領(lǐng)域一個(gè)較為普遍的、亟待解決的現(xiàn)實(shí)問題。

變流器的可靠性是由其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可靠性和功率器件本身的可靠性共同決定的。變流裝置的可靠性既受制造封裝工藝的影響，也受實(shí)際運(yùn)行工況的影響。本文所探討的可靠性主要是指裝置運(yùn)行過程中的可靠性。功率變流器可靠性研究主要包括可靠性評(píng)估和狀態(tài)控制兩大方面?？煽啃栽u(píng)估是指對(duì)元件或系統(tǒng)在給定時(shí)間間隔內(nèi)、規(guī)定條件下，連續(xù)實(shí)現(xiàn)其功能的能力進(jìn)行分析、預(yù)計(jì)和認(rèn)定的系列工作，具體包含變流器狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷、壽命預(yù)測(cè)等方面的研究?jī)?nèi)容。在可靠性研究中，通常采用平均無(wú)故障時(shí)間來(lái)衡量裝置的可靠性。平均無(wú)故障時(shí)間是指設(shè)備工作至故障的平均時(shí)間，反映了產(chǎn)品的時(shí)間質(zhì)量，是體現(xiàn)產(chǎn)品在規(guī)定時(shí)間內(nèi)保持功能的一種能力。狀態(tài)監(jiān)測(cè)是指對(duì)運(yùn)行中的電力電子裝置的技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行檢查鑒定，以判斷其運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常，有無(wú)異常與劣化征兆，或?qū)Ξ惓Ｇ闆r進(jìn)行追蹤，預(yù)測(cè)其劣化趨勢(shì)，從而確定是否需要采取相應(yīng)的措施的活動(dòng)。狀態(tài)監(jiān)測(cè)的目的在于防止故障發(fā)生，減少故障停機(jī)損失，降低維修費(fèi)用和提高設(shè)備有效利用率。狀態(tài)監(jiān)測(cè)是裝置可靠性評(píng)估、故障診斷以及壽命預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)。故障診斷是指通過分析設(shè)備狀態(tài)測(cè)試信號(hào)對(duì)設(shè)備異常運(yùn)行狀態(tài)和故障情況作出判斷，從而找出故障發(fā)生的原因。壽命預(yù)測(cè)是一項(xiàng)研討設(shè)備在規(guī)定的運(yùn)行工況下能夠安全運(yùn)行多長(zhǎng)時(shí)間的工作。變流器狀態(tài)控制，又稱為健康管理，是可靠性研究新的發(fā)展方向，具體包含損耗控制、運(yùn)行狀態(tài)調(diào)整等內(nèi)容，目的是提高設(shè)備可靠性，延長(zhǎng)使用壽命?？梢钥闯觯β首兞髌鞯目煽啃匝芯繉?duì)設(shè)備的安全可靠運(yùn)行具有十分重要的意義。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)變流裝置及其功率器件的可靠性問題進(jìn)行了大量研究。功率變流裝置及器件的可靠性評(píng)估、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷、壽命預(yù)測(cè)等正成為國(guó)內(nèi)外的一個(gè)研究熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)對(duì)功率模塊失效機(jī)理的研究大多針對(duì)器件及其等效電路[2-5]，而針對(duì)模塊內(nèi)部芯片的定量研究較少[6-7]。由于熱循環(huán)是引起器件失效的主要因素，文獻(xiàn)[8-11]對(duì)模塊熱行為、芯片結(jié)溫特性及其分布進(jìn)行了研究。建立在狀態(tài)監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)上的變流裝置及器件的故障診斷與可靠性評(píng)估正受到國(guó)內(nèi)外的高度重視。國(guó)外學(xué)者從器件失效機(jī)理及運(yùn)行可靠性出發(fā)，發(fā)展出了各種不同的狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法，研究成果比較豐富[12-19]；國(guó)內(nèi)在這方面的研究則大多集中在器件組成的電力電子裝置的故障診斷[20-29]，但從器件本身進(jìn)行研究的很少[30-34]?？煽啃栽u(píng)估是提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。文獻(xiàn)[35]對(duì)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)逆變器的可靠性進(jìn)行了評(píng)估。為預(yù)測(cè)電力電子裝置的剩余壽命，國(guó)內(nèi)外學(xué)者發(fā)展出了基于器件可靠性模型、基于器件參數(shù)監(jiān)測(cè)兩類不同的壽命預(yù)測(cè)方法，取得了一些有意義的成果。文獻(xiàn)[36-39]對(duì)器件老化進(jìn)程及壽命預(yù)測(cè)方法進(jìn)行了研究，材料力學(xué)中的疲勞累積損傷理論和相關(guān)統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)被用來(lái)預(yù)測(cè)器件的剩余壽命。而在如何提高功率器件的可靠性方面，文獻(xiàn)[40-51]采用有效的功率變流器內(nèi)外部熱管理提升裝置的可靠性，但這些措施能否真正適用于實(shí)際系統(tǒng)還需要進(jìn)一步研究。

全文圍繞功率變流器的可靠性問題，重點(diǎn)分析了引起變流裝置失效的功率器件的可靠性，首先從功率變流器的工作特點(diǎn)出發(fā)分析了導(dǎo)致其可靠性低的主要原因，接著介紹變流裝置內(nèi)部功率器件工作過程中的主要失效機(jī)理，從熱機(jī)械應(yīng)力及電應(yīng)力兩個(gè)方面對(duì)普通塑封功率模塊與壓接式功率模塊的失效機(jī)理進(jìn)行闡述。鑒于目前市場(chǎng)上主流的變流器功率模塊為塑封結(jié)構(gòu)，因此接下來(lái)針對(duì)塑封功率模塊發(fā)生熱機(jī)械應(yīng)力失效機(jī)制的情況，總結(jié)了裝置的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷和壽命預(yù)測(cè)技術(shù)，最后對(duì)提高變流裝置可靠性的方法作了介紹。同時(shí)文中還對(duì)各種狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法及狀態(tài)控制技術(shù)進(jìn)行了分析和比較，總結(jié)了它們的優(yōu)缺點(diǎn)，并指出了功率變流器可靠性研究的發(fā)展方向。

1 功率變流器及其可靠性

通常，功率變流器由開關(guān)元件、儲(chǔ)能元件、驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)處理和控制電路等部分組成，如圖1所示。變流器的可靠性是由各部分的可靠性綜合決定的。文獻(xiàn)[52]指出，各類電容元件尤其是鋁電解電容是影響開關(guān)電源可靠性的關(guān)鍵因素。但工業(yè)界的調(diào)查顯示[53]，在變流器各部分組成單元中，最容易失效的卻是功率器件，占31%的份額，隨后才是電容，占21%，門極驅(qū)動(dòng)裝置占18%，如圖2所示。德國(guó)風(fēng)能研究計(jì)劃WMEP(the Scientific Measurement and E-valuation Program)為提高風(fēng)機(jī)的可靠性，從1989年至2006年收集了一系列有關(guān)風(fēng)機(jī)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，指出風(fēng)電機(jī)組中有36%的故障可歸因于元器件失效，控制系統(tǒng)僅占23%，因外部自然災(zāi)害造成的故障僅占19%。盡管文獻(xiàn)[53-55]給出的電力電子變流裝置中各部分的失效率有所差別，但都有一個(gè)共同點(diǎn)就是因功率器件及其驅(qū)動(dòng)電路故障導(dǎo)致變流裝置故障所占的比重最大。

在風(fēng)力發(fā)電中，因風(fēng)能的快速變化和難以預(yù)測(cè)，風(fēng)電變流器要處理的功率波動(dòng)劇烈 (如圖3所示)，致使變流器長(zhǎng)期工作在非平穩(wěn)狀態(tài)。而變流器缺少大型儲(chǔ)能單元，不能承受持續(xù)巨大的熱沖擊。熱機(jī)應(yīng)力會(huì)加劇變流裝置中功率器件的老化進(jìn)程，嚴(yán)重降低設(shè)備的運(yùn)行可靠性，并制約風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)整體可靠性的提高。實(shí)際上，電力電子變流裝置的可靠性問題已經(jīng)在世界范圍內(nèi)引起廣泛關(guān)注，而不僅僅局限在以風(fēng)能為代表的可再生能源發(fā)電領(lǐng)域。

因此，由于功率變流器長(zhǎng)時(shí)間工作在非平穩(wěn)工況，變流器所處理的功率是實(shí)時(shí)波動(dòng)的，而且這種波動(dòng)通常是難以預(yù)測(cè)的，這給變流裝置的可靠性及其控制帶來(lái)一定挑戰(zhàn)。通過前述分析可以看出，影響變流裝置可靠性的主要元件是功率器件及其驅(qū)動(dòng)，而在開關(guān)電源中失效率最高的是電容元件，這是由功率變流器的工作特點(diǎn)決定的。功率器件作為電力電子變流裝置中最脆弱的部件，其可靠性在一定程度上決定了整個(gè)裝置的可靠性，研究功率器件的可靠性是提高功率變流裝置可靠性的基礎(chǔ)。下面將從功率器件的失效機(jī)理、變流器可靠性評(píng)估和運(yùn)行狀態(tài)調(diào)整三個(gè)方面探討目前功率變流器可靠性研究的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。

2 功率器件的失效機(jī)理

變流裝置的失效主要由其內(nèi)部的功率器件引起?？煽啃允呛饬肯到y(tǒng)性能是否退化的關(guān)鍵參數(shù)，模塊的失效機(jī)理決定了其壽命[49]，研究功率器件失效機(jī)理是對(duì)其進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估及壽命預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)。功率器件失效是由其內(nèi)部疲勞損傷積累和外部運(yùn)行環(huán)境等多種因素相互作用的結(jié)果。研究表明[11]，運(yùn)行過程中功率器件的損壞主要是由于功率波動(dòng)引起的熱機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致器件及封裝的機(jī)械形變和疲勞損傷累積。除功率波動(dòng)引起器件內(nèi)部老化失效外，器件制造工藝及材料本身的缺陷等也會(huì)加速器件失效。本文主要從功率器件在實(shí)際工作中產(chǎn)生的各種失效機(jī)理進(jìn)行分析，包括熱機(jī)械應(yīng)力失效與電應(yīng)力失效兩個(gè)方面。

2.1 熱機(jī)械應(yīng)力失效

研究表明，功率器件IGBT失效主要是由于功率波動(dòng)引起的熱機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致器件及封裝的機(jī)械變形和內(nèi)部疲勞損傷積累及外部運(yùn)行環(huán)境等多種因素相互作用的結(jié)果[11]。根據(jù)不同的器件封裝結(jié)構(gòu)，市場(chǎng)上主要有兩種不同形式的封裝：普通塑封IGBT模塊與壓接式IGBT模塊。

2.1.1 塑封IGBT模塊的失效機(jī)理

在實(shí)際工作中，IGBT模塊內(nèi)的相鄰芯片的連接處、焊料層和鍵合引線及鍵合處受到功率循環(huán)產(chǎn)生的熱機(jī)械應(yīng)力的反復(fù)沖擊，導(dǎo)致焊料層疲勞而出現(xiàn)裂紋、裂紋生長(zhǎng)甚至出現(xiàn)分層、空洞和鍵合引線的脫落、斷裂[11]，這是IGBT在功率循環(huán)中的主要失效機(jī)理。

典型的IGBT功率模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由多層不同的材料，如硅、焊料及銅等組成[49]，具有不同的熱膨脹系數(shù)（CTE），如圖4所示，圖中從上至下分別為鋁、硅芯片、直接敷銅（DBC）陶瓷基板及底板。由于各層材料的熱膨脹系數(shù)的差異，使得器件內(nèi)部相互連接處受熱后的膨脹程度不一致，于是不同材料之間的熱機(jī)械應(yīng)力隨著溫度的變化而變化，最終導(dǎo)致芯片的結(jié)構(gòu)發(fā)生變形或連接處發(fā)生熱疲勞而使器件失效[17]。IGBT功率模塊中最常見失效類型主要有2種：鍵合引線脫落、硅芯片與直接敷銅陶瓷基板及直接敷銅陶瓷基板與底板之間的焊料層疲勞。

(1)鋁鍵合引線脫落

導(dǎo)致鋁鍵合引線與硅芯片之間脫落的主要原因是：當(dāng)功率模塊受到循環(huán)加熱冷卻后，由于硅芯片與鋁之間的熱膨脹系數(shù)差異，使得兩者之間的壓縮及拉伸應(yīng)力有所差別而產(chǎn)生裂紋，不斷反復(fù)最終導(dǎo)致鋁線脫落[50]。由于鋁鍵合引線脫落通常發(fā)生在焊料層疲勞失效之前，因此它是所有失效類型中最普遍的[12]。

(2)焊料層疲勞

功率模塊內(nèi)的焊料層發(fā)生結(jié)構(gòu)變形被稱為焊料層疲勞。同樣的，由于直接敷銅陶瓷基板與硅芯片及直接敷銅陶瓷基板與底板之間熱膨脹系數(shù)的差異，當(dāng)功率模塊內(nèi)的溫度發(fā)生變化時(shí)，會(huì)在它們之間（焊料層）產(chǎn)生剪切應(yīng)力，最終導(dǎo)致焊料層發(fā)生結(jié)構(gòu)變形而失效。而且后者的熱膨脹系數(shù)差異比前者更大，因此后者的焊料層更容易發(fā)生疲勞[50]。

當(dāng)鋁鍵合引線與硅芯片產(chǎn)生裂縫或焊料層發(fā)生疲勞，會(huì)使得它們之間的電流分布不均勻而影響溫度分布，材料熱阻增大而影響傳熱性能[51]，形成溫度正反饋而加速鋁線脫落或焊料層疲勞。

(3)鍵合線根部斷裂

鋁鍵根部斷裂現(xiàn)象可以在經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間功率循環(huán)測(cè)試的IGBT模塊中觀察到。導(dǎo)致該失效的主要原因是超聲波焊接時(shí)，其過程沒有經(jīng)過優(yōu)化處理，例如焊接過程中，由于超聲波振動(dòng)而在鋁鍵合引線根部產(chǎn)生裂縫[56]。與鋁鍵合引線脫落相比，發(fā)生鋁鍵根部斷裂的過程更慢，以目前的半導(dǎo)體技術(shù)，該失效形式比較少見。

(4)鋁金屬化的重構(gòu)

通常，功率模塊經(jīng)過功率循環(huán)后可以觀察到鋁金屬化的重構(gòu)現(xiàn)象。由于鋁與硅芯片熱膨脹系數(shù)的差異，經(jīng)過不斷的溫度循環(huán)變化，它們之間的熱機(jī)械應(yīng)力會(huì)使得鋁金屬化而形成顆粒狀，使得接觸面變得粗糙，減少了金屬有效的接觸面積而導(dǎo)致電阻增大[49-50]。

2.1.2 壓接式封裝模塊的失效機(jī)理

為了克服普通塑封IGBT模塊的兩種最主要失效形式，在許多高功率等級(jí)的風(fēng)電及電力拖動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)合，采用了壓接式封裝（press-pack）技術(shù)的IGBT模塊。與塑封IGBT相比，通過壓力接觸焊接的壓接式IGBT，不僅可以通過兩側(cè)散熱提高功率密度，而且去除了鍵合引線及焊料焊接的結(jié)構(gòu)方式[57]，因此消除了鍵合引線脫落、斷裂或焊料層疲勞的失效模式，器件的可靠性顯著提高，圖5給出了典型圓狀壓接式封裝的IGBT模塊拆分圖[58]。

在壓接式IGBT中，每個(gè)IGBT芯片的柵極是通過一個(gè)裝有彈簧的引線聯(lián)系起來(lái)的，以致引進(jìn)了在塑封IGBT模塊中不會(huì)出現(xiàn)的失效模式。如在功率循環(huán)中，彈簧因反復(fù)的壓縮/膨脹而發(fā)生彈簧疲勞；溫度不斷變化引起彈簧應(yīng)力損傷，長(zhǎng)期的積累會(huì)引發(fā)彈簧失效；機(jī)械振動(dòng)引起彈簧引線與柵極焊點(diǎn)的相對(duì)移動(dòng)而發(fā)生柵極焊點(diǎn)磨損[59]。而且組成器件的材料同樣擁有不同的熱膨脹系數(shù)，在足夠高的溫度波動(dòng)下，不同材料會(huì)因膨脹/壓縮程度不一致而發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，該滑動(dòng)會(huì)影響材料的電熱屬性，最終也會(huì)使器件發(fā)生失效[60]。

2.2 電應(yīng)力失效

當(dāng)器件在超過額定的電壓或電流范圍內(nèi)工作時(shí)，有可能產(chǎn)生過電應(yīng)力而造成元器件損壞。在過電應(yīng)力作用下，器件局部將會(huì)過熱，當(dāng)該熱點(diǎn)溫度達(dá)到材料熔點(diǎn)時(shí)使材料熔化，形成開路或短路，導(dǎo)致器件損毀[61]。過電應(yīng)力可分為過壓應(yīng)力和過流應(yīng)力。過電壓包括柵極過壓、集電極-發(fā)射極過壓及雜散電感過壓等；過電流包含擎住效應(yīng)及短路現(xiàn)象等。

總之，除器件制造工藝及材料本身的缺陷會(huì)加速器件失效外，器件在工作過程中，由于熱應(yīng)力、電應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力等因素超過器件自身承受極限時(shí)也會(huì)造成器件失效。

3 變流器狀態(tài)評(píng)估技術(shù)

狀態(tài)評(píng)估以狀態(tài)監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)，通過對(duì)裝置所處狀態(tài)加以監(jiān)測(cè)，判斷器件及裝置的健康水平，并對(duì)模塊所呈現(xiàn)的劣化趨勢(shì)和狀態(tài)進(jìn)行處理，防止非計(jì)劃性的故障發(fā)生，一旦發(fā)現(xiàn)設(shè)備出現(xiàn)異常跡象或這種跡象具有發(fā)展趨勢(shì)，就可認(rèn)定該設(shè)備具有發(fā)生故障的可能并在故障發(fā)生前采取相應(yīng)的預(yù)防措施，而不是等到故障發(fā)生導(dǎo)致停機(jī)后才采取措施，從而提高系統(tǒng)可靠性，避免重大安全事故與經(jīng)濟(jì)損失。狀態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)合壽命預(yù)測(cè)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)裝置有針對(duì)性的維修計(jì)劃。因此，狀態(tài)評(píng)估對(duì)器件壽命預(yù)測(cè)及可靠性評(píng)估具有舉足輕重的作用。

目前國(guó)內(nèi)針對(duì)變流器在線監(jiān)測(cè)，在故障診斷方面開展了大量的研究工作[20-29]，主要方法有基于量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障辨識(shí)和基于小波變換的故障診斷。國(guó)外開展功率器件狀態(tài)評(píng)估方面的研究比國(guó)內(nèi)早，研究?jī)?nèi)容不僅包括狀態(tài)監(jiān)測(cè)，還包括基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)的剩余壽命預(yù)測(cè)技術(shù)，下面分別予以闡述。

3.1 功率器件狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)

狀態(tài)監(jiān)測(cè)是指對(duì)器件狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，若運(yùn)行狀態(tài)偏離健康狀態(tài)，則需要采取適當(dāng)行動(dòng)以保護(hù)器件不受損傷[14]。通過狀態(tài)監(jiān)測(cè)既可以確定故障前器件的老化狀態(tài)及失效進(jìn)程，又可以對(duì)已經(jīng)發(fā)生故障的裝置及器件實(shí)現(xiàn)故障診斷。近年來(lái)，IGBT功率模塊狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)迅速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于器件端部特性以及系統(tǒng)輸出波形等不同方法對(duì)電力電子器件狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了研究。

3.1.1 基于器件端部特性的狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)

IGBT功率模塊老化失效可能導(dǎo)致其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化從而影響其端部特性的變化，比如飽和壓降、穩(wěn)態(tài)熱阻、門極信號(hào)、閾值電壓、關(guān)斷時(shí)間都可以作為狀態(tài)監(jiān)測(cè)參量反映器件的老化狀態(tài)。

(1)集射極飽和壓降Vcesat

對(duì)IGBT模塊進(jìn)行加速老化實(shí)驗(yàn)，研究飽和壓降隨老化進(jìn)程的變化趨勢(shì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明飽和壓降Vcesat會(huì)隨器件老化進(jìn)程逐漸增大[13,15,63]，直至飽和壓降值超過其正常標(biāo)準(zhǔn)值的15%，器件嚴(yán)重老化失效。文獻(xiàn)[64]首次提出監(jiān)測(cè)到由于焊料層老化和鍵合引線脫落共同作用而引起的飽和壓降Vcesat極速下降再上升的驟變現(xiàn)象。功率模塊老化所引起熱阻和結(jié)溫的增加，將導(dǎo)致Vcesat異常地下降，當(dāng)鍵合引線完全脫落失效時(shí)，Vcesat又急劇上升。飽和壓降驟降驟升的現(xiàn)象可以同時(shí)反映焊料層和鍵合線的老化。

(2)結(jié)殼穩(wěn)態(tài)熱阻Rthj-c

焊料層在長(zhǎng)期溫度循環(huán)沖擊下產(chǎn)生裂紋空洞會(huì)嚴(yán)重阻礙熱量傳遞，使得模塊的熱阻Rth增加[65]，因此熱阻可以作為模塊老化狀態(tài)監(jiān)測(cè)參量。文獻(xiàn)[16]根據(jù)可測(cè)得器件結(jié)溫、殼溫以及功率損耗監(jiān)測(cè)功率模塊內(nèi)部熱阻的變化以反映模塊焊料層失效過程的方法。研究表明，器件嚴(yán)重老化的標(biāo)準(zhǔn)是結(jié)到殼的穩(wěn)態(tài)熱阻Rthj-c有20%的增加[66]。根據(jù)熱阻定義，可按下式計(jì)算：

式中：Tj和Tc分別為IGBT模塊的結(jié)溫和殼溫；Pon為IGBT的導(dǎo)通損耗。該方法可跟蹤系統(tǒng)運(yùn)行工況的不斷變化，實(shí)現(xiàn)在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)。但精確的結(jié)溫測(cè)量存在難度，并且實(shí)際器件都是多芯片結(jié)構(gòu)，芯片之間存在熱耦合現(xiàn)象[67]，而熱耦合參數(shù)很難得到，不能及時(shí)反映參數(shù)的變化，可能造成測(cè)量誤差。

(3)門極信號(hào)

研究表明，由器件老化引起的門極氧化層老化會(huì)使得門極電容的參數(shù)發(fā)生變化[18]，疲勞前后IGBT門極閥值電壓、跨導(dǎo)隨老化及溫度變化[68]，由此可以作為監(jiān)測(cè)器件運(yùn)行狀態(tài)的變量。老化后器件的門極閥值電壓高于新器件的，即VGEth會(huì)隨老化進(jìn)程而增大，器件變得更難開通，會(huì)對(duì)原驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)造成一定的影響。同時(shí)由于結(jié)溫Tj升高所引發(fā)硅晶體的能帶降低，載流子越容易受激發(fā)，所以VGEth隨結(jié)溫Tj呈現(xiàn)出反比變化關(guān)系?？鐚?dǎo)是指輸出電流與門極所加電壓的比值，器件老化后跨導(dǎo)明顯增大，并與溫度呈負(fù)溫度系數(shù)關(guān)系。文獻(xiàn)[18]分析了老化所造成門極開通過程中密勒平臺(tái)退化的物理過程，從而提出利用門極密勒平臺(tái)的退化來(lái)評(píng)估器件的狀態(tài)。文獻(xiàn)[30-32]結(jié)合仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果指出IGBT鍵合線脫落對(duì)門級(jí)電壓電流動(dòng)態(tài)波形的影響，從而提出利用門級(jí)電壓電流信號(hào)進(jìn)行IGBT缺陷評(píng)估的概念。文獻(xiàn)[33-34]利用門級(jí)端電壓信號(hào)進(jìn)行功率模塊的鍵合線故障識(shí)別。由于門極開通時(shí)間是納秒級(jí)，精確地捕捉門極信號(hào)對(duì)硬件測(cè)量設(shè)備提出了更高要求。

(4)關(guān)斷時(shí)間toff

文獻(xiàn)[69]提出利用關(guān)斷時(shí)間toff對(duì)IPM系列的IGBT模塊進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估，預(yù)知模塊的失效機(jī)理。多芯片并聯(lián)結(jié)構(gòu)的IGBT功率模塊以其較大的電流承載能力而被廣泛運(yùn)用，如某個(gè)硅芯片因老化失效，則電流將被分流到剩下的硅芯片，從而造成這些芯片電流密度增大，存儲(chǔ)電荷增多，而使關(guān)斷時(shí)間延長(zhǎng)。另外由于鍵合引線脫落以及焊料層疲勞而引起的熱阻增大和同等運(yùn)行條件下模塊結(jié)溫升高，將同樣導(dǎo)致關(guān)斷時(shí)間延長(zhǎng)[70]。該方法可以實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的在線評(píng)估，同樣由于IGBT功率模塊關(guān)斷時(shí)間toff是微秒級(jí)甚至納秒級(jí)的，因此對(duì)硬件測(cè)試系統(tǒng)的要求極高。

(5)器件端部附加傳感器

基于傳感器的方法能有效實(shí)現(xiàn)由于鍵合引線脫落引起的失效狀態(tài)監(jiān)測(cè)。文獻(xiàn)[71]對(duì)模塊內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了修改，在發(fā)射極引線端子S處引入輔助測(cè)量端子R，通過測(cè)量S端與D端之間的電阻值實(shí)現(xiàn)器件引線脫落狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。類似地，在IGBT發(fā)射極引線附近并聯(lián)電阻，當(dāng)器件引線脫落后可監(jiān)測(cè)到并聯(lián)電阻兩端的電壓降發(fā)生變化觸發(fā)輔助監(jiān)測(cè)電路發(fā)出預(yù)警[69]。

3.1.2 基于系統(tǒng)輸出波形的狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)

根據(jù)變流器系統(tǒng)輸出波形的細(xì)微變化并結(jié)合數(shù)學(xué)處理方法可以監(jiān)測(cè)變流器中IGBT模塊的健康狀況。

電壓源型三相逆變器外部輸出波形諧波幅值的變化可以反映功率模塊由于鍵合線脫落引起的老化。文獻(xiàn)[72]采用4芯片并聯(lián)結(jié)構(gòu)的IGBT模塊，通過剪掉芯片上的鍵合線來(lái)模擬鍵合線脫落，并且在模塊底部與散熱器之間加入一片導(dǎo)熱片來(lái)模擬由焊料層老化引起的20%熱阻增加量。當(dāng)通過相同集電極電流時(shí)，鍵合線脫落或焊料層老化將會(huì)引起芯片的結(jié)溫升高，從而造成開關(guān)時(shí)間發(fā)生變化，開關(guān)輸出的方波發(fā)生偏移，傅立葉分解后的輸出電流諧波的含量發(fā)生變化。該方法能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)出由鍵合線脫落及芯片故障所引起的失效，局限在于不能辨識(shí)出具體失效芯片及芯片個(gè)數(shù)。

文獻(xiàn)[20]提出用量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)辨識(shí)變流器中發(fā)生故障的IGBT模塊，先用仿真軟件模擬各種故障類型，得到相應(yīng)的故障波形，并將其作為網(wǎng)絡(luò)的輸入樣本數(shù)據(jù)，再把電路的故障類型作為網(wǎng)絡(luò)的輸出樣本，最后由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)學(xué)習(xí)及記憶電路的故障信息和故障類型的映射關(guān)系，并將其用于故障診斷。文獻(xiàn)[73]提出用小波變換對(duì)變流器中的IGBT進(jìn)行故障診斷，同樣采取將故障后的波形映射到小波子空間，用小波系數(shù)矩陣表示，然后按矩陣的能量分布特征對(duì)當(dāng)前的故障波形進(jìn)行分類，并采用矩陣相似度量法，實(shí)現(xiàn)類中矩陣相似匹配，最后以矩陣和故障波形的相似性為依據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)故障診斷。這類方法能迅速辨識(shí)發(fā)生故障的系統(tǒng)，但不能反應(yīng)逐漸老化而未發(fā)生故障的器件的中間狀態(tài)。

上述討論的功率器件各種狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比情況如表1所示?？梢钥闯觯孩倩谄骷瞬刻匦缘臓顟B(tài)監(jiān)測(cè)方法能直觀反映器件的失效過程，但各方法又具有各自的局限性。②基于系統(tǒng)輸出波形的狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法通過對(duì)監(jiān)測(cè)到的狀態(tài)變量進(jìn)行數(shù)學(xué)建模處理，識(shí)別系統(tǒng)故障及種類，該方法具有經(jīng)濟(jì)、實(shí)用以及非破壞性的特點(diǎn)，目前已引起業(yè)界關(guān)注并成為突破技術(shù)瓶頸的重要研究方法。

總之，狀態(tài)監(jiān)測(cè)作為裝置和器件狀態(tài)評(píng)估的基礎(chǔ)性工作，不僅有利于裝置的故障診斷，而且對(duì)預(yù)防故障發(fā)生，監(jiān)測(cè)器件的健康水平和老化狀態(tài)，從而為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)器件剩余壽命預(yù)測(cè)提供重要理論支撐。但到目前為止，沒有一種狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法能比較全面準(zhǔn)確地反映器件的健康狀況。

3.2 功率器件的壽命預(yù)測(cè)方法

壽命預(yù)測(cè)是功率器件可靠性評(píng)估的重要內(nèi)容。所謂壽命預(yù)測(cè)，是指針對(duì)器件的實(shí)際工作環(huán)境對(duì)其壽命進(jìn)行估算。其意義在于，一方面，壽命預(yù)測(cè)能及時(shí)反映器件連續(xù)可靠工作的能力，從而給設(shè)備的檢修維護(hù)提供理論指導(dǎo)。另一方面，壽命預(yù)測(cè)也可以為制造商提供器件設(shè)計(jì)上的指導(dǎo)，使得新的器件具有更長(zhǎng)的使用壽命。

3.2.1 壽命預(yù)測(cè)模型

在功率器件壽命預(yù)測(cè)模型方面，國(guó)外學(xué)者研究和提出了許多壽命預(yù)測(cè)模型。為更好說(shuō)明不同模型的特征，可以把這些壽命預(yù)測(cè)模型分成兩類：解析模型和物理模型[74]。

⑴解析模型

解析壽命模型描述的是功率循環(huán)中，失效周期數(shù)Nf與某些參數(shù)的關(guān)系：如結(jié)溫、結(jié)溫幅值變化、循環(huán)頻率等，它是在加速老化壽命試驗(yàn)中，基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到的。根據(jù)文獻(xiàn)的報(bào)道，解析壽命模型可以分為三種：Coffin-Manson模型[13]；Norris-Landzberg模型[74]；Bayerer模型[39]。

上世紀(jì)90年代初，LESIT項(xiàng)目利用來(lái)自歐洲及日本的不同器件制造商得到的各種IGBT功率模塊，通過加速老化試驗(yàn)，總結(jié)了Coffin-Manson壽命模型，該模型受到了廣泛應(yīng)用，它考慮了器件結(jié)溫的平均值Tm及結(jié)溫幅值變化ΔTj的影響：

式中：參數(shù)a、n及激發(fā)能量常數(shù)Ea可通過數(shù)值仿真或試驗(yàn)測(cè)量得到；k為波爾茲曼常量。

圖6為文獻(xiàn)[13]利用上述模型得到的模塊功率循環(huán)次數(shù)與結(jié)溫之間關(guān)系曲線。從圖可以看出，平均結(jié)溫越高，結(jié)溫波動(dòng)幅度越大，器件有效功率循環(huán)次數(shù)就越少。說(shuō)明器件使用壽命同時(shí)受到平均結(jié)溫，結(jié)溫波動(dòng)幅度的影響，但結(jié)溫變化幅度對(duì)功率器件的可靠性影響更大，起主要支配作用。因此，若能有效控制器件結(jié)溫的波動(dòng)幅度，將有利于提高器件運(yùn)行可靠性。

隨著器件制造技術(shù)的改進(jìn)，研究發(fā)現(xiàn)其他因素：如功率循環(huán)頻率、加熱及冷卻時(shí)間等也會(huì)影響器件的壽命[40,74]?；贑offin-Manson模型，文獻(xiàn)[74]又總結(jié)出了Norris-Landzberg壽命模型：

表1 功率器件狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法優(yōu)缺點(diǎn)比較

圖6 功率循環(huán)次數(shù)Nf與結(jié)溫之間的關(guān)系

式中：Tj表示最大的結(jié)溫；I為工作電流；ton為加熱（導(dǎo)通）時(shí)間；V為阻斷電壓；D為鋁鍵合線的直徑；常數(shù)K及β可通過一系列大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與曲線擬合的方法得到。

盡管解析壽命模型受到廣泛應(yīng)用，然而它還是存在一些局限性：如它純粹是基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的方式得到的，沒有涉及到功率模塊的物理失效機(jī)理；若制造器件的材料或技術(shù)發(fā)生變化，原來(lái)的模型參數(shù)就不適用了，需要重新做大量的試驗(yàn)以確定各個(gè)參數(shù)。

⑵物理模型

為了克服解析壽命模型諸多缺點(diǎn)，學(xué)者們開始研究基于物理失效的器件壽命模型。物理壽命模型是基于應(yīng)力-應(yīng)變變形原理的損傷與斷裂機(jī)理來(lái)預(yù)測(cè)應(yīng)力、損傷及可靠性，可以通過仿真或?qū)嶒?yàn)得到的，但需要預(yù)先知道器件的失效機(jī)理及變形機(jī)制[17,69]。由于器件的失效機(jī)理主要是由于鋁鍵合引線脫落及焊料層疲勞造成的，因此物理失效模型主要從這兩種機(jī)理進(jìn)行研究。

研究鋁鍵合線疲勞失效主要基于損傷機(jī)理，如需要知道器件材料的應(yīng)變強(qiáng)度因子ΔKε。文獻(xiàn)[75]通過功率循環(huán)試驗(yàn)，結(jié)合材料物理屬性及有限元分析模型，利用數(shù)據(jù)ΔTj、最大結(jié)溫Tjmax、鋁鍵合線與硅芯片之間的裂紋長(zhǎng)度b及應(yīng)變強(qiáng)度因子ΔKε進(jìn)行仿真，得到的功率循環(huán)失效周期數(shù)與試驗(yàn)結(jié)果非常吻合。

焊料層疲勞失效起初是從高密度的電子封裝中開始研究，如觸發(fā)器、球柵陣列結(jié)構(gòu) （BGA）的PCB等[72]，而該疲勞失效模型同樣可以應(yīng)用到功率器件的焊料層疲勞。文獻(xiàn)[50]借助于Coffin-Manson模型，基于熱機(jī)械疲勞失效機(jī)理，得到了不同的焊料層疲勞壽命模型：

式中：Δα為焊料層兩側(cè)材料的熱膨脹系數(shù)差；x與L分別為焊料層的厚度與長(zhǎng)度；γ為焊料層的韌性因子；c為疲勞指數(shù)。

3.2.2 壽命預(yù)測(cè)模型比較

需要指出的是，壽命預(yù)測(cè)解析模型只能預(yù)測(cè)尚未使用的新模塊在某一恒定結(jié)溫波動(dòng)幅度（恒幅載荷）下的全周期壽命，未考慮器件內(nèi)部疲勞老化對(duì)結(jié)溫和壽命預(yù)測(cè)的影響，而物理模型則彌補(bǔ)了這個(gè)缺陷。根據(jù)物理模型可以從材料的屬性上理解器件失效機(jī)理，但需要了解材料的物理特性以及器件的設(shè)計(jì)過程。該方法涉及到材料的物理、化學(xué)屬性，目前從事電氣領(lǐng)域的研究人員還很少涉入，還有待進(jìn)一步研究。對(duì)于器件的兩種壽命預(yù)測(cè)模型優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)如表2所示。盡管解析壽命模型簡(jiǎn)單，但是該模型與物理失效機(jī)理基本上無(wú)關(guān)，對(duì)它的應(yīng)用缺乏足夠的理論依據(jù)，而基于物理失效機(jī)理的模型，才剛剛發(fā)展，還需要進(jìn)行深入的研究。

3.2.3 壽命模型的實(shí)際應(yīng)用

實(shí)際工作中，功率模塊的結(jié)溫是隨著載荷的實(shí)時(shí)變化而變化的，這將導(dǎo)致模塊內(nèi)部各部分產(chǎn)生變化的熱機(jī)應(yīng)力，而功率器件的疲勞失效正是其長(zhǎng)期經(jīng)受的熱機(jī)應(yīng)力產(chǎn)生的損傷不斷累積的結(jié)果。因此，對(duì)于長(zhǎng)期處于不同結(jié)溫波動(dòng)幅度下的功率器件進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)，并不能簡(jiǎn)單套用前述的壽命預(yù)測(cè)模型。功率器件疲勞壽命預(yù)測(cè)有一套其自身的理論，這個(gè)理論稱為Miner線性損傷理論[59]。該理論認(rèn)為，每個(gè)溫度循環(huán)變化都會(huì)對(duì)器件造成一定的損傷，逐漸積累后最終導(dǎo)致器件失效。由于Miner線性積累損傷理論形式簡(jiǎn)單，使用方便而受到普遍應(yīng)用。

基于Miner線性累積損傷理論的壽命計(jì)算公式為：

表2 兩種壽命預(yù)測(cè)模型優(yōu)缺點(diǎn)比較

式中：ni與Ni分別為第i種情況下的循環(huán)次數(shù)和功率循環(huán)失效次數(shù)，當(dāng)D等于1時(shí)器件失效。因此，定義疲勞失效判據(jù)D=1。

此外，Miner理論沒有考慮不同載荷水平順序?qū)勖挠绊?，而環(huán)境溫度、開關(guān)頻率、焊接層疲勞老化等都對(duì)功率器件壽命有一定影響，因此可以根據(jù)材料在各種工況下的載荷譜并結(jié)合Miner累積損傷理論來(lái)預(yù)測(cè)其疲勞壽命[76]。

功率器件的壽命預(yù)測(cè)基本過程如圖7所示，分為如下步驟：①功耗計(jì)算：根據(jù)變流器運(yùn)行條件計(jì)算器件的功率損耗；②結(jié)溫計(jì)算：根據(jù)模塊損耗，利用模塊的等效熱路模型計(jì)算模塊結(jié)溫Tj隨時(shí)間變化的過程；③數(shù)據(jù)分析：應(yīng)用雨流算法等統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)法對(duì)結(jié)溫變化歷史過程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，獲取其不同溫差、結(jié)溫平均值及其相應(yīng)循環(huán)次數(shù)等數(shù)據(jù)；④壽命預(yù)測(cè)：根據(jù)功率模塊壽命預(yù)測(cè)模型計(jì)算模塊壽命。

圖7 功率器件壽命預(yù)測(cè)過程

功率器件壽命預(yù)測(cè)作為功率器件狀態(tài)評(píng)估的重要組成部分，為評(píng)估器件可靠性提供了理論支撐，為系統(tǒng)制定檢修計(jì)劃提供重要參考，同時(shí)降低了設(shè)備維修成本。

4 變流器狀態(tài)控制技術(shù)

如前所述，功率器件是變流器中可靠性最低的元件。為提高變流器可靠性，首先需要提高功率器件的可靠性。目前主要有兩類方法，一類是改進(jìn)器件設(shè)計(jì)與制造工藝，另一類是采用狀態(tài)控制技術(shù)。前者通過在器件設(shè)計(jì)與制造過程中采用新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝等手段提高器件本身的可靠性。后者通過狀態(tài)監(jiān)測(cè)獲取器件運(yùn)行過程中的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，對(duì)器件的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，以判斷其是否有發(fā)生故障的可能，是否需要變更運(yùn)行模式，從而采取相應(yīng)的措施，提高器件運(yùn)行可靠性。相比于前述的狀態(tài)評(píng)估，我們稱之為“狀態(tài)控制”，狀態(tài)控制包括器件內(nèi)部結(jié)溫控制和外部散熱管理。但隨著技術(shù)不斷成熟，從改進(jìn)器件工藝角度提高可靠性已越來(lái)越受空間、效率和成本限制。而基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)的器件結(jié)溫控制及外部熱管理將是提高器件可靠性的重要途徑，也是該研究領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，下面予以介紹。

4.1 狀態(tài)控制的依據(jù)

狀態(tài)控制通過狀態(tài)監(jiān)測(cè)對(duì)器件的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，以判斷其是否有發(fā)生故障的可能，是否需要變更運(yùn)行模式，從而采取相應(yīng)的措施，提高器件運(yùn)行可靠性。受器件實(shí)際工況的影響，熱應(yīng)力導(dǎo)致的可靠性問題是一個(gè)不容忽視的因素。由于器件處理功率的波動(dòng)性，芯片結(jié)溫也會(huì)跟著循環(huán)波動(dòng)(如圖8所示)。熱膨脹系數(shù)的差別導(dǎo)致各材質(zhì)層不均等的熱應(yīng)力，結(jié)溫過高或溫度變化幅度過大均易引起器件內(nèi)部疲勞損傷或失效，從而影響器件可靠性。因此，影響器件運(yùn)行可靠性的主要因素是結(jié)溫波動(dòng)幅度，平滑結(jié)溫波動(dòng)是提高器件可靠性的有效方式。

圖8 功率器件的結(jié)溫波動(dòng)

器件結(jié)溫波動(dòng)量的計(jì)算公式[41]：

結(jié)溫計(jì)算公式

式中：Tjmax和Tjmin分別為一個(gè)周期內(nèi)結(jié)溫的最大值和最小值；Ta為環(huán)境溫度；fpwm為器件的開關(guān)頻率；VT與ic是器件導(dǎo)通壓降與導(dǎo)通電流；Rja為結(jié)到環(huán)境的熱阻；積分項(xiàng)為通態(tài)損耗，Eon，Eoff分別是器件開通、關(guān)斷時(shí)的開關(guān)能量損耗，是開關(guān)開通時(shí)間與關(guān)斷時(shí)間的函數(shù)。一般情況下，熱阻可以認(rèn)為基本恒定，器件導(dǎo)通壓降變化很小，為調(diào)節(jié)器件結(jié)溫，可以改變的因素有開關(guān)頻率、負(fù)載電流、開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，以及外部環(huán)境溫度。因此，可以通過調(diào)節(jié)這些相關(guān)參數(shù)即可調(diào)節(jié)結(jié)溫波動(dòng)幅度，從而提高器件運(yùn)行可靠性。

4.2 狀態(tài)控制方法

4.2.1 器件內(nèi)部結(jié)溫控制

在提高器件可靠性，延長(zhǎng)器件使用壽命方面，抑制結(jié)溫波動(dòng)的幅值ΔTj比減小結(jié)溫平均值Tm更有效。文獻(xiàn)[35]指出，結(jié)溫波動(dòng)幅值小于3 K將不會(huì)對(duì)器件壽命產(chǎn)生影響。因此，為提高器件可靠性，必須對(duì)結(jié)溫脈動(dòng)量進(jìn)行控制。內(nèi)部結(jié)溫控制的關(guān)鍵是能有效平滑結(jié)溫波動(dòng)幅度，由(9)式可以看出，通過調(diào)節(jié)開關(guān)頻率，開關(guān)調(diào)制方式和驅(qū)動(dòng)波形可以達(dá)到這一點(diǎn)。

⑴開關(guān)頻率調(diào)整

通常IGBT功率器件在應(yīng)用中，開關(guān)頻率比較大，會(huì)引起較大的開關(guān)損耗，因此若能將器件開關(guān)損耗降下來(lái)，則可達(dá)到結(jié)溫控制的目的。與開關(guān)損耗密切相關(guān)的因素是開關(guān)頻率，因此可以通過改變開關(guān)頻率實(shí)現(xiàn)器件結(jié)溫控制。即結(jié)溫低時(shí)適當(dāng)提高開關(guān)頻率，結(jié)溫過高時(shí)適當(dāng)降低開關(guān)頻率，通過頻率控制結(jié)溫的思路如圖9所示。

圖9 開關(guān)頻率控制框圖

據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，目前主要采用滯環(huán)頻率控制的方式調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)開關(guān)頻率。文獻(xiàn)[77]以三相感應(yīng)電機(jī)中的三相逆變器為背景，當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，輸出頻率比較小，以額定負(fù)載電流工作時(shí)會(huì)導(dǎo)致功率模塊發(fā)生較大的結(jié)溫波動(dòng)，因此提出了調(diào)節(jié)開關(guān)頻率來(lái)限制功率模塊的結(jié)溫。文獻(xiàn)[40]在類似直流跳變負(fù)載應(yīng)用中，在不同的工作點(diǎn)，采樣不同的開關(guān)頻率，使得器件的結(jié)溫幅值變化盡可能地小，從而提高模塊壽命。

⑵開關(guān)調(diào)制方式調(diào)整

功率變流器大多采用空間電壓矢量調(diào)制(SVPWM)，因此可以通過改進(jìn)開關(guān)調(diào)制算法控制開關(guān)損耗，從而達(dá)到結(jié)溫控制的目的?；趽p耗最小SVPWM的控制思想被用于器件結(jié)溫管理，同時(shí)不影響變流器的輸出性能[46-48]。在同樣的輸出性能下，SVPWM算法較SPWM，滯環(huán)電流控制等算法損耗更小，對(duì)結(jié)溫的控制效果更好[47]。由于空間電壓矢量調(diào)制中零矢量的選擇對(duì)器件導(dǎo)通損耗有一定影響，因而可以通過適當(dāng)?shù)倪x擇零矢量，減少開關(guān)次數(shù)，如FT60調(diào)制技術(shù)[47]。文獻(xiàn)[79]提出了電動(dòng)汽車中功率逆變模塊的結(jié)溫管理措施，通過變更開關(guān)調(diào)節(jié)方式，以溫度控制為外環(huán)，電流（轉(zhuǎn)矩）控制為內(nèi)環(huán)，成功將溫度控制環(huán)整合到電動(dòng)汽車變流器驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。

⑶開關(guān)驅(qū)動(dòng)波形調(diào)整

由于器件開關(guān)損耗還受門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)影響 (如圖10)，因此可以通過外部驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)調(diào)整開關(guān)驅(qū)動(dòng)波形實(shí)現(xiàn)損耗控制[80]。開關(guān)驅(qū)動(dòng)波形調(diào)整包括調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電壓的上升和下降時(shí)間、驅(qū)動(dòng)電壓幅值等。該方法的局限在于，若調(diào)整開關(guān)驅(qū)動(dòng)波形的上升下降時(shí)間，則對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的速度和精度要求較高，受功率模塊實(shí)際工作情況影響，驅(qū)動(dòng)波形幅值也有一個(gè)有限的調(diào)節(jié)范圍。

圖10 IGBT開通損耗與門極驅(qū)動(dòng)電壓的關(guān)系

⑷負(fù)載電流調(diào)節(jié)

在功率變流器的實(shí)際運(yùn)行過程中，若條件允許，還可以通過改變運(yùn)行模式，調(diào)節(jié)負(fù)載大小來(lái)改變器件功耗，從而降低芯片平均結(jié)溫并減小結(jié)溫脈動(dòng)量。考慮到頻率調(diào)節(jié)范圍有限的缺點(diǎn)，文獻(xiàn)[40]在調(diào)節(jié)頻率的基礎(chǔ)上，增加了負(fù)載電流調(diào)節(jié)，由于負(fù)載電流對(duì)器件的導(dǎo)通損耗及開關(guān)損耗影響比較大，因此適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)電流，就可明顯地達(dá)到控制結(jié)溫的目的。但是調(diào)節(jié)負(fù)載電流會(huì)影響到原來(lái)的控制系統(tǒng)，而且也會(huì)影響系統(tǒng)的輸出功率，因此該方法的應(yīng)用是非常有限的。

4.2.2 器件外部熱管理

由(10)式可以看出，通過改變環(huán)境溫度也可以間接影響器件結(jié)溫，這可以由器件外部熱管理實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[81]提出一種減小結(jié)溫波動(dòng)幅度的方法，即在結(jié)溫波峰時(shí)加快外部風(fēng)扇散熱以降低結(jié)溫，在結(jié)溫波谷處減緩或停止風(fēng)扇散熱，同時(shí)給功率模塊加熱以提高結(jié)溫，此方法雖然以增加平均結(jié)溫為代價(jià)，但能大大平滑結(jié)溫波動(dòng)幅度，只要平均結(jié)溫不超過額定上限，將有利于提高器件可靠性，延長(zhǎng)器件使用壽命。但由于風(fēng)扇轉(zhuǎn)速不能快速大幅度的變化，使得該方法仍然不適用以工頻尺度波動(dòng)的器件結(jié)溫調(diào)節(jié)。

4.3 狀態(tài)控制技術(shù)比較

表3 變流器狀態(tài)控制技術(shù)對(duì)比

在提高變流器及器件可靠性的各類方法中，改進(jìn)器件工藝及封裝屬于提高模塊本身的制造可靠性，而狀態(tài)控制則屬于提高模塊的運(yùn)行可靠性。各種方法的對(duì)比情況如表3所示。在兩種狀態(tài)控制方法中，內(nèi)部結(jié)溫管理的本質(zhì)是器件功耗控制，外部熱管理的本質(zhì)是加快或延緩?fù)獠繜醾鲗?dǎo)。具體來(lái)看，改變開關(guān)頻率調(diào)節(jié)溫度的控制策略研究大多僅針對(duì)單個(gè)器件的簡(jiǎn)單系統(tǒng)，變頻方式也僅限于滯環(huán)控制等少數(shù)方法。實(shí)際開關(guān)頻率的變化范圍有限，通過改變開關(guān)頻率來(lái)調(diào)節(jié)結(jié)溫需要考慮對(duì)變換器的輸出波形和穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響，此類問題現(xiàn)有文獻(xiàn)均未充分考慮。通過改變調(diào)制算法實(shí)現(xiàn)變流器中器件結(jié)溫平衡及控制是可行的，但現(xiàn)有研究大多局限于仿真驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證很少，少數(shù)有實(shí)驗(yàn)分析的研究也僅限于單個(gè)器件及直流變換器等簡(jiǎn)單系統(tǒng)，而且結(jié)溫管理措施單一。通過外部散熱控制提高器件可靠性思路清晰，效果明顯，但動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，該部分研究尚有較大的發(fā)展空間。

5 結(jié)論與展望

電力電子變流裝置的可靠性問題是現(xiàn)代電力工業(yè)中一個(gè)亟待解決的關(guān)鍵問題。功率器件是變流裝置中可靠性最低的部分，其可靠性直接關(guān)乎整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行可靠與否。目前國(guó)內(nèi)外正積極開展功率變流器的可靠性研究，包括可靠性評(píng)估和狀態(tài)控制兩個(gè)方面，文中系統(tǒng)闡述了功率變流器可靠性研究的各方面內(nèi)容。綜合來(lái)看，國(guó)內(nèi)對(duì)器件可靠性研究起步較晚，研究?jī)?nèi)容大多集中在裝置的故障診斷和功率器件的封裝可靠性兩個(gè)方面，在可靠性評(píng)估、壽命預(yù)測(cè)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)等方面的研究尚不夠深入和完善。由于國(guó)外較為全面地掌握了半導(dǎo)體芯片的設(shè)計(jì)、制造和封裝工藝，因此在變流器可靠性方面的研究也較為成熟，從故障機(jī)理到狀態(tài)監(jiān)測(cè)，從可靠性評(píng)估到壽命預(yù)測(cè)均進(jìn)行了較為充分的研究。下面將國(guó)內(nèi)外研究成果及其發(fā)展趨勢(shì)總結(jié)如下：

（1）功率器件作為電力電子變流裝置的重要組成部分，是整個(gè)裝置中最為脆弱的部件，其可靠程度在一定程度上決定了整個(gè)裝置的可靠性，目前功率器件的失效機(jī)理仍未被充分認(rèn)識(shí)。

（2）非平穩(wěn)工況導(dǎo)致的器件結(jié)溫大幅度波動(dòng)是影響功率變流器可靠性的主要因素，處理功率的波動(dòng)性和難以預(yù)測(cè)性是功率變流器的典型特征。

（3）變流器狀態(tài)評(píng)估技術(shù)的發(fā)展仍然有賴于狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，到目前為止尚未有一種狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法能比較全面準(zhǔn)確地反映變流器的健康水平。

（4）以狀態(tài)監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)，建立在疲勞累積損傷理論基礎(chǔ)上的功率器件剩余壽命預(yù)測(cè)技術(shù)將是變流器可靠性評(píng)估的一個(gè)重要研究方向，該領(lǐng)域的研究將為功率變流器的檢修維護(hù)提供理論支撐。

（5）以提高設(shè)備運(yùn)行可靠性為目標(biāo)的變流器狀態(tài)控制技術(shù)正逐步成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)，也代表變流器可靠性研究的一個(gè)發(fā)展方向。該領(lǐng)域的研究將大大提升功率變流器的運(yùn)行可靠性，十分有利于延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

（6）隨著可再生能源發(fā)電功率等級(jí)的進(jìn)一步提高，壓接式封裝的功率模塊將更多地用于功率變流器中，以此類模塊為基礎(chǔ)的變流器可靠性研究將會(huì)有較大的發(fā)展空間。

最后，必須指出，功率變流器的可靠性是建立在其內(nèi)部元件各自可靠性基礎(chǔ)上的，除功率器件外，電容元件、驅(qū)動(dòng)電路等部分的可靠性也會(huì)影響變流裝置的整體可靠性。

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