考慮退化狀態(tài)的功率器件壽命預(yù)測研究

姚芳+王少杰+李志剛

摘 要： 功率變流器是風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的核心組件，其可靠性直接影響風(fēng)電系統(tǒng)的可靠性。風(fēng)電變流器中主要的失效部件是IGBT模塊，因此對IGBT模塊進(jìn)行壽命預(yù)測可以提高整個風(fēng)電系統(tǒng)的可靠性。首先討論變流器電熱耦合模型中的退化參數(shù)，然后基于LESIT壽命預(yù)測模型和雨流循環(huán)計數(shù)法提出考慮IGBT模塊退化狀態(tài)的壽命預(yù)測方法。文中以1.2 MW風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為例，預(yù)測了網(wǎng)側(cè)風(fēng)電變流器中IGBT模塊的壽命，并對比分析了是否考慮模塊的退化狀態(tài)對壽命預(yù)測結(jié)果的影響。

關(guān)鍵詞： 壽命預(yù)測； 退化狀態(tài)； 電熱耦合模型； IGBT

中圖分類號： TN626?34； TM46 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）14?0132?04

Abstract： Power converter is a crucial component of the wind turbine generator system， and its reliability influence the reliability of the wind power system directly. The IGBT module is the main possible failure part in the wind power converters， so predicting the lifetime of IGBT can improve the reliability of the entire wind power system. The degradation parameters of the converter electro?thermal model are discussed. The lifetime prediction method considering the degradation state of IGBT is proposed based on the LESIT model and rain?flow cycle counting method. A 1.2 MW wind energy conversion system is taken as a study example， the lifetime of IGBT module in grid side converter is predicted， and the two lifetime prediction results which considers and does not consider the degradation state are compared.

Keywords： lifetime prediction； degradation state； electro?thermal model； IGBT

0 引 言

近年來，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)有了飛速發(fā)展，世界風(fēng)電裝機(jī)容量不斷上升，對整個電網(wǎng)的影響也隨之增大，為了提高電網(wǎng)整體的可靠性，迫切需要提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的可靠性。1993—2004年的一項風(fēng)電系統(tǒng)故障率的統(tǒng)計結(jié)果顯示，風(fēng)電變流器作為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的核心組件，是主要失效組件之一[1?2]。

風(fēng)電變流器中最主要的失效部件是其應(yīng)用的功率半導(dǎo)體器件IGBT[3]。提高風(fēng)電變流器的可靠性，需要開展IGBT模塊的壽命預(yù)測研究，若能在其失效前及時更換，可以降低維修成本及故障損失。

目前，依據(jù)功率器件的結(jié)溫來進(jìn)行壽命預(yù)測研究是一種常用的方法，由于功率器件的封裝特性，結(jié)溫難以實時測量，因此需要首先計算器件的結(jié)溫數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[4?7]利用LUT解耦了器件與系統(tǒng)之間的仿真，搭建了能夠快速仿真的電熱耦合模型，可以得到長時間尺度的結(jié)溫數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[8]建立了基于開關(guān)周期損耗與輸出周期平均損耗的結(jié)溫計算模型，并進(jìn)行了比較，證明基于開關(guān)周期的結(jié)溫計算模型更適合計算變流器輸出頻率較低時的結(jié)溫數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[9]提出了一種結(jié)溫迭代數(shù)值計算的方法，能夠通過實際風(fēng)速及氣溫數(shù)據(jù)計算器件結(jié)溫，與電熱仿真方法相比，縮短了計算時間。

在經(jīng)過連續(xù)測量或者仿真得到功率器件的結(jié)溫歷史后，需要通過壽命預(yù)測模型與損傷累積模型對模塊進(jìn)行損傷計算。文獻(xiàn)[5]利用Coffin?Manson模型對IGBT模塊進(jìn)行了壽命預(yù)測，忽略了結(jié)溫波動的影響，文獻(xiàn)[10]同時考慮了結(jié)溫均值與結(jié)溫波動，使用LESIT模型評估風(fēng)電變流器中IGBT模塊的壽命消耗。文獻(xiàn)[11]在多時間尺度下對IGBT模塊進(jìn)行了壽命評估。文獻(xiàn)[12]考慮運(yùn)行功率變化的影響對風(fēng)電變流器進(jìn)行了可靠性評估。以上的壽命預(yù)測方法中主要采用Miner線性損傷累積法進(jìn)行損傷累積的計算，未考慮模塊退化的影響，影響壽命預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行考慮器件退化狀態(tài)的壽命預(yù)測方法，研究如何提高壽命預(yù)測準(zhǔn)確性。

考慮器件退化首先要研究電熱耦合模型中的退化參數(shù)，然后在壽命預(yù)測的過程中，將器件的退化參數(shù)不斷反饋回電熱耦合模型中，對電熱耦合模型進(jìn)行修正，提高壽命預(yù)測的精度。

1 退化中的電熱耦合模型

采用文獻(xiàn)[7]介紹的能夠快速仿真的電熱耦合模型仿真功率器件結(jié)溫，其中的熱模型為Foster熱網(wǎng)絡(luò)模型：

式中：表示結(jié)殼瞬態(tài)熱阻抗；t表示時間；ri表示第i階熱阻；τi表示第i階熱時間常數(shù)。

二階Foster熱網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示。該模型中的熱阻、熱容參數(shù)可以通過IGBT模塊瞬態(tài)熱阻抗曲線擬合得到，退化過程中瞬態(tài)熱阻抗曲線的變化將引起模型中參數(shù)的改變。因此，通過加速壽命老化實驗研究瞬態(tài)熱阻抗的退化規(guī)律，進(jìn)而研究帶有退化參數(shù)的Foster熱網(wǎng)絡(luò)模型，可以建立退化中的電熱耦合模型。

對某型IGBT模塊進(jìn)行溫度循環(huán)老化試驗，設(shè)置通入的集電極電流Ic=50 A，殼溫上限為90 ℃，下限為40 ℃，每循環(huán)1 000次在瞬態(tài)熱阻抗測試平臺上測量IGBT模塊的瞬態(tài)熱阻抗曲線。瞬態(tài)熱阻抗在每次測量時會逐漸趨于一個穩(wěn)態(tài)值，這個穩(wěn)態(tài)值為穩(wěn)態(tài)熱阻，通常認(rèn)為穩(wěn)態(tài)熱阻上升20%時模塊失效。老化實驗到6 000次時穩(wěn)態(tài)熱阻增加21%，判定模塊失效，老化實驗結(jié)束。0～6 000次的瞬態(tài)熱阻抗曲線經(jīng)過去噪平滑處理后如圖2所示。圖2中從下到上老化次數(shù)依次為0次，1 000次，2 000次，3 000次，4 000次，5 000次，6 000次。

將瞬態(tài)熱阻抗曲線利用二階Foster熱網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行擬合，對各階熱阻和熱時間常數(shù)進(jìn)行歸一化處理后分析退化趨勢，發(fā)現(xiàn)各階熱阻均以相同的趨勢上升，而熱時間常數(shù)基本不變，歸一后的熱阻退化趨勢如圖3所示。

由圖3可以看出，各階熱阻歸一值隨老化次數(shù)近似成線性增長，因此可建立帶有退化參數(shù)的Foster熱網(wǎng)絡(luò)模型，如下：

式中：表示未退化時第i階熱阻；表示未退化時第i階熱時間常數(shù)；Tr表示熱阻退化系數(shù)，與損傷累積量成線性關(guān)系，如下：

式中：Ctr為熱阻上升系數(shù)與損傷累積量的線性系數(shù)；c為損傷累積量，當(dāng)c=100%時，Tr=120%，因此Ctr取0.2。

Foster熱網(wǎng)絡(luò)模型中，熱阻、熱容與熱時間常數(shù)滿足：

式中，表示未退化時Foster熱網(wǎng)絡(luò)模型中各階熱容參數(shù)，由式（2）、式（3）可知各階熱容的退化系數(shù)為。

在建立電熱耦合模型的過程中考慮IGBT模塊的退化狀態(tài)，將熱阻與熱容的退化參數(shù)Tr考慮進(jìn)去，可以建立退化過程中的電熱耦合模型，更精確地計算器件結(jié)溫。

2 考慮退化狀態(tài)的壽命預(yù)測方法

本文采用LESIT模型進(jìn)行壽命預(yù)測，模型如下[13]：

式中：A和α需要通過實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合[10]，本文中A取1 300，α取-6.14；R是氣體常數(shù)（8.314 J/（mol·K））；Q=7.8×104 J/mol。該式前半部分很大程度上取決于溫度的波動值ΔT（實質(zhì)上是一個Coffin?Manson關(guān)系），后半部分的激活能量項取決于溫度均值Tm，同時考慮了溫度差值與均值對器件壽命的影響。在實際情況中，IGBT模塊工作結(jié)溫是不規(guī)律的，每一個循環(huán)的均值Tm和差值ΔT都不一樣，而負(fù)載電流的變化更加強(qiáng)了器件熱循環(huán)的隨機(jī)性。本文利用雨流循環(huán)計數(shù)法來從溫度循環(huán)中提取結(jié)溫均值Tm及差值ΔT的組合。將得到的雨流法計算結(jié)果利用Miner線性損傷累積法進(jìn)行損傷累積計算，如下：

式中：c表示相對損傷累積值，當(dāng)c接近于1時判定器件失效；ni，j是第i個溫度的均值和第j個溫度的差值組成的循環(huán)數(shù)；（Nf）i，j是此溫度組合的失效循環(huán)數(shù)。

由于器件的損傷累積在整個壽命過程中并不是線性的，熱損傷會使IGBT模塊的封裝老化，造成性能參數(shù)的改變，導(dǎo)致結(jié)溫上升，而結(jié)溫的升高又會加劇熱量造成的損傷，這是一個正反饋作用。因此，不能在全壽命中采用Miner線性損傷累積法，需要建立一個修正的反饋模型，將損傷的累積反饋回電熱耦合模型中見圖4。

損傷累積造成的IGBT模塊熱阻與熱容的變化被反饋回電熱耦合模型，建立退化中的電熱耦合模型，減小了退化對結(jié)溫計算準(zhǔn)確性的影響。但是如果太過頻繁地對電熱耦合模型進(jìn)行修正，計算量將大大增加，因此，需要權(quán)衡計算精度與計算時間之間的關(guān)系。

由于認(rèn)為Foster熱網(wǎng)絡(luò)模型中各層熱阻與熱容參數(shù)在溫度循環(huán)條件下與損傷累積量呈線性規(guī)律退化，且Ctr=0.2，為了降低計算難度，本文在損傷每增加20%時，將4%的熱阻增長量與相應(yīng)的熱容降低量反饋回電熱耦合模型中，如表1所示。

3 實 例

圖5為某地一臺1.2 MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)網(wǎng)側(cè)變流器某個時間段內(nèi)輸出的300 s內(nèi)的電流波形。將該電流波形輸入電熱耦合模型中進(jìn)行電熱聯(lián)合仿真，可以得到IGBT模塊與快速恢復(fù)二極管的結(jié)溫曲線如圖5所示。仿真結(jié)溫值如圖6所示。

由圖6可知，在整個負(fù)載變化過程中，IGBT模塊與快速恢復(fù)二極管的結(jié)溫均隨負(fù)載的變化而變化，二者具有相似的峰值點(diǎn)和谷值點(diǎn)。將雨流循環(huán)計數(shù)法應(yīng)用于IGBT模塊的結(jié)溫曲線，提取溫度循環(huán)特征量，雨流計數(shù)法的結(jié)果矩陣如圖7所示。

由于負(fù)載的變化，IGBT模塊的溫度均值Tm的分布較為分散，而溫度差值ΔT的分布較為集中，溫差ΔT較小的循環(huán)所占比例很大，溫差ΔT大的循環(huán)數(shù)量很少，溫差大的循環(huán)是負(fù)載的急劇變化引起的。

將溫差ΔT的分布情況與損傷的分布情況作對比，如圖8所示，可以發(fā)現(xiàn)，盡管溫差大的溫度循環(huán)數(shù)量很少，但卻是損傷的主要來源，因此，溫差在損傷累積的計算中不可忽視。

根據(jù)Miner線性損傷累積法，首先將圖7中溫度均值Tm與差值ΔT的組合代入式（5）中計算（Nf）i，j，式（5）前半部分中溫差ΔT的指數(shù)相關(guān)性使得低溫差的溫度循環(huán)對損傷的影響降低，而高溫差的溫度循環(huán)則會造成很大的損傷，后半部分中冪指數(shù)包含溫度均值Tm，使得當(dāng)溫度均值較大時造成的損傷也較大。

然后，將圖7中的循環(huán)數(shù)據(jù)代入式（6）中，計算相對損傷，這些相對損傷的總和可以估計總的累積損傷c。在本例中，IGBT的c=3.29×10-7，可以估算出功率器件的總壽命（s）為：

式中，Lifetime表示功率器件總壽命，約為28.9年。

根據(jù)上面所討論的損傷累積的反饋作用，IGBT模塊工作6年后損傷累積大約達(dá)到20%，則需修正電熱耦合模型中的參數(shù)。選用相同風(fēng)電場中某一臺已經(jīng)工作約6年的變流器，分別將網(wǎng)側(cè)變流器輸出電流輸入原始的和修正過的電熱耦合模型中進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖9所示。

由圖9可知，修正過的電熱耦合模型仿真得到的結(jié)溫值比未修正過的略高，這符合IGBT模塊退化規(guī)律，用圖9中的結(jié)果進(jìn)行壽命預(yù)測，未修正過的仿真結(jié)果計算出的相對累積損傷c=3.295×10-7，修正過的仿真結(jié)果計算出的相對累積損傷c=3.296×10-7，可以看出是否修正電熱耦合模型會影響損傷計算結(jié)果，進(jìn)而影響壽命預(yù)測結(jié)果。本文中的時間尺度較短，相對累積損傷的差值不太明顯，在計算長時間尺度的數(shù)據(jù)時，是否進(jìn)行損傷累積的反饋將會較大地影響壽命預(yù)測的結(jié)果。

4 結(jié) 論

電熱耦合模型中的熱模型包含熱阻和熱容兩個退化參量，在壽命預(yù)測過程中需要不斷將損傷累積量反饋回?zé)崮Ｐ椭校拚裏嶙韬蜔崛莸膮?shù)，以減少模塊的退化對壽命預(yù)測精度的影響。對網(wǎng)側(cè)變流器中的IGBT模塊進(jìn)行壽命預(yù)測，得知溫差較大的循環(huán)雖數(shù)量較少，卻是器件損傷的主要來源，因此在損傷累積計算中不能忽視溫差的影響，比較了是否進(jìn)行損傷累積反饋對壽命預(yù)測結(jié)果的影響，證明考慮退化狀態(tài)能夠提高壽命預(yù)測的準(zhǔn)確性。

注：本文通訊作者為王少杰。

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