風(fēng)電變流器中功率半導(dǎo)體器件可靠性評估及其改善措施的探究

王新澤

摘 要：功率半導(dǎo)體器件失效其原因主要是熱疲勞損傷，對功率器件可靠性進(jìn)行評估，首先需要評估器件熱載荷，功率變流器設(shè)計(jì)功能滿足后需要關(guān)注其可靠性，通過性能提升使維護(hù)成本降低。本文就風(fēng)電變流器中功率半導(dǎo)體器件可靠性評估及其改善措施的探究作簡要闡述。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電變流器 功率半導(dǎo)體 可靠性評估

中圖分類號：TM46 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2018）01（c）-0023-02

變流器可靠性提升在設(shè)計(jì)階段可以通過系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化，或者是采用可靠性較高的元件，運(yùn)行階段可以利用故障容錯技術(shù)，比如故障預(yù)警、狀態(tài)監(jiān)測、冗余設(shè)計(jì)。其中故障預(yù)警與狀態(tài)監(jiān)測能夠指導(dǎo)系統(tǒng)維護(hù)工作開展，降低維護(hù)工作成本。變流器可靠性提升要從各個方面采取措施，才能達(dá)成效果。

1 功率半導(dǎo)體器件可靠性分析

半導(dǎo)體器件在使用過程中，可靠性會受到多種因素影響，可以將其分為外部因素與內(nèi)部因素，因此對其可靠性進(jìn)行評估難度較大。對可靠性的標(biāo)準(zhǔn)定義是產(chǎn)品在使用時間內(nèi)，在工作環(huán)境下其執(zhí)行功能概率?？煽啃愿拍钪?，關(guān)注環(huán)境與時間，如何解析器件失效機(jī)理，建立體現(xiàn)器件使用生命與環(huán)境之間的關(guān)系，對于器件可靠性預(yù)測工作有重要影響。

對器件可靠性預(yù)測，可以通過PoF故障物理模型達(dá)成目標(biāo)，早期研究階段，電子設(shè)備價格低廉，模型構(gòu)建復(fù)雜，因此此種分析方法并未能得到廣泛應(yīng)用?？煽啃允謨酝ㄟ^對大量工業(yè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)計(jì)算，分析方法得到了行業(yè)與政府的認(rèn)可，其中較為有名的是美國國防部頒布可靠性手冊，并且在應(yīng)用過程中，受到技術(shù)發(fā)展與環(huán)境變化、市場需求等方面因素的影響，可靠性手冊已經(jīng)發(fā)展成為了不同的版本。但是從另一方面來分析，技術(shù)進(jìn)步、市場需求變化、新材料應(yīng)用使得對設(shè)備可靠性產(chǎn)生影響的因素越來越多，而可靠性手冊大多會存在一定假設(shè)性條件，因此在應(yīng)用效果方面可能會存在缺陷。

2 半導(dǎo)體設(shè)備可靠性評估方法

2.1 基于故障概率統(tǒng)計(jì)功率半導(dǎo)體器件可靠性評估

此種評估方法需要對系統(tǒng)長期運(yùn)行、故障率數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，建立可靠性統(tǒng)計(jì)分析模型，研究周期長。有國外學(xué)者通過調(diào)查問卷方式對風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、工業(yè)等領(lǐng)域系統(tǒng)故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，研究方法包括了數(shù)據(jù)整體統(tǒng)計(jì)、相關(guān)項(xiàng)統(tǒng)計(jì)，對不同的行業(yè)變流器組件進(jìn)行可靠性分析。研究的結(jié)果表明了，在最容易失效的器件中，功率器件占據(jù)了較大比例。

2.2 利用可靠性手冊對半導(dǎo)體器件可靠性進(jìn)行分析

如圖1所示，電子設(shè)備故障率通常會隨時使用時間變化而相應(yīng)變化，可以利用浴盆曲線對其形象描述。該曲線包括了3個階段：早期失效、穩(wěn)定失效期、損耗失效期等。早期失效主要是由于材料、設(shè)計(jì)、制造、安裝環(huán)節(jié)存在問題導(dǎo)致的。隨著工作時間的增加，故障出現(xiàn)的頻率會逐漸降低。而在穩(wěn)定失效期，故障發(fā)生的頻率可以將其看作是穩(wěn)定的，并且此階段持續(xù)的時間較長。損耗失效是設(shè)備在使用較長時間后，由于零件磨損老化導(dǎo)致的不可避免失效。對于設(shè)備器件可靠性研究主要是研究設(shè)備器件在穩(wěn)定失效期內(nèi)故障出現(xiàn)的頻率?？煽啃允謨酝ǔ＜僭O(shè)在穩(wěn)定期，設(shè)備故障率是保持不變的，基于指數(shù)概率分布。利用可靠性手冊對器件可靠性進(jìn)行分析，計(jì)算方法可以分為計(jì)數(shù)法與應(yīng)力法。此種評估方法在光伏發(fā)電系統(tǒng)、普通開關(guān)電源、風(fēng)電變流器中均有應(yīng)用。

2.3 基于POF物理模型的可靠性分析

此模型能夠?qū)收险T因進(jìn)行解析，應(yīng)用于可靠性評估能夠?qū)⑼獠凯h(huán)境對器件的影響考慮其中。相關(guān)研究工作表明，利用此種模型對器件可靠性進(jìn)行分析與評估，獲得的結(jié)果能夠確保較高的精確度。利用此種方式研究設(shè)備零件可靠性內(nèi)容可以分為兩個方面：一是對器件的失效機(jī)理進(jìn)行分析；二是構(gòu)建模型。

以IGBT模塊為研究對象，此器件失效主要與器件工作過程受到應(yīng)力作用相關(guān)，可能是受到偶然因素的影響，也可能是受到某些因素長期作用從而形成的必然性結(jié)果。前者主要包括了電應(yīng)力與高溫?；赑OF故障模型只能對某一形式下組件失效進(jìn)行評估，而功率器件失效的形式多樣化，因此在對不同的失效形式進(jìn)行評估的時候需要參考到不同的評估模型，評估工作開展工作量會增大，復(fù)雜程度也會增加。利用上述方法對器件可靠性進(jìn)行評估，難以依據(jù)評估工作的結(jié)果對器件可靠性提升提出有效措施與針對性參考。

3 風(fēng)電變流器功率半導(dǎo)體可靠性提升方法

3.1 基于功率平滑控制風(fēng)電變流器可靠性改善

功率器件的熱載荷波動主要受隨機(jī)風(fēng)速影響，隨機(jī)風(fēng)速變化會使器件損耗風(fēng)機(jī)輸出功率相應(yīng)變化，導(dǎo)致其熱載荷出現(xiàn)波動，解決問題可以在直流側(cè)設(shè)置儲能裝置，或者對風(fēng)力機(jī)槳距角進(jìn)行控制，從而間接達(dá)成功率器件熱載荷降低目的。通過儲能裝置，利用裝置放電過程從而影響到熱載荷波動，通過對風(fēng)力機(jī)槳距進(jìn)行調(diào)節(jié)，使電網(wǎng)有功功率波動而改變。

3.2 基于外部散熱系統(tǒng)的功率半導(dǎo)體器件可靠性改善

以多層結(jié)構(gòu)IGBT模塊為例，工作過程中硅芯片產(chǎn)生的熱量通過熱傳導(dǎo)方式散熱，對其過程產(chǎn)生重要影響的因素是芯片散熱器溫差。從導(dǎo)熱角度分析，對散熱器溫度調(diào)節(jié)使芯片熱量傳遞受到影響，最終影響熱載荷波動。通過構(gòu)建冷卻控制系統(tǒng)對風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制，達(dá)成散熱器散熱性能調(diào)節(jié)目標(biāo)，工作過程中溫度高于設(shè)定溫度，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速增大，從而達(dá)到降溫效果。當(dāng)工作溫度低于設(shè)定溫度，通過降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速或停止風(fēng)扇工作，并加熱功率模塊從而使溫度提升。可以在散熱器與功率模塊中間位置安裝制冷器，建立半導(dǎo)體制冷器，功率模塊散熱器電熱模型通過調(diào)節(jié)制冷器件電流對散熱量進(jìn)行控制，從而使功率模塊熱載荷得以間接平滑。

3.3 功率損耗控制半導(dǎo)體器件可靠性提升

功率損耗與熱載荷之間存在密切關(guān)聯(lián)，因此通過影響器件損耗也能夠?qū)崿F(xiàn)熱載荷波動平滑目標(biāo)。器材損耗包括了開關(guān)損耗、導(dǎo)通損耗，開關(guān)損耗主要指的是在關(guān)段已開通階段，由于電壓與電流存在波動從而產(chǎn)生交疊區(qū)域而導(dǎo)致?lián)p耗。解決開關(guān)損耗，直觀方案是利用軟開關(guān)技術(shù)，但是該技術(shù)應(yīng)用使硬件復(fù)雜程度增加，控制難度增大并且系統(tǒng)整體可靠性提升不確定。功率模塊熱損耗控制可以利用負(fù)載電流條件開關(guān)頻率調(diào)節(jié)等方法，方法雖然存在差異，但其基本思想是一致的，都是基于模糊控制理論。通過對變頻調(diào)速、電氣參數(shù)進(jìn)行采樣，對結(jié)溫在線預(yù)測，對變流器電流與功率器件結(jié)溫進(jìn)行控制。溫度大于設(shè)定值，對開關(guān)頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到降溫效果。如果未能有效達(dá)成目標(biāo)則需要降低系統(tǒng)輸出電流，對器件電流調(diào)節(jié)或控制無功功率，也能達(dá)成熱載荷波動減緩目標(biāo)，但同時也會對變流器功率輸出造成影響。

4 結(jié)語

通過對風(fēng)機(jī)系統(tǒng)故障統(tǒng)計(jì)結(jié)果研究，功率變流器是風(fēng)扇發(fā)電的核心組件，同時也是失效組件。其原因主要是功率半導(dǎo)體封裝失效，而失效與半導(dǎo)體所處環(huán)境存在密切關(guān)聯(lián)。風(fēng)電變流器應(yīng)用于實(shí)際工作需要考慮的外部環(huán)境變化影響，并針對影響因素提出措施，從而使可靠性得到提升。設(shè)備可靠性提升為系統(tǒng)正常運(yùn)行提供保障，風(fēng)力發(fā)電發(fā)展前景十分廣闊，能夠?yàn)槟茉磫栴}解決提供保障，因此需要保障其核心部件正常穩(wěn)定工作。

參考文獻(xiàn)

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