基于電熱耦合模型和壽命預(yù)測(cè)的IGBT可靠性評(píng)估

帥雙旭，熊 煒，彭 月，艾小清，劉玉潔，朱拉沙

（貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025）

0 引言

對(duì)直流配電網(wǎng)中的關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行可靠性參數(shù)預(yù)測(cè)是直流配電網(wǎng)可靠性評(píng)估的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，電力設(shè)備中的功率模塊對(duì)關(guān)鍵設(shè)備的可靠性評(píng)估至關(guān)重要。根據(jù)新能源并網(wǎng)系統(tǒng)故障的一項(xiàng)調(diào)查，換流器故障導(dǎo)致的系統(tǒng)故障占13%左右[1]，而作為變換器的核心元件，功率模塊失效在變換器故障中占31.3%[2]。可見，功率模塊失效影響著電力電子變換器的可靠性，進(jìn)而影響到整個(gè)系統(tǒng)。功率模塊中，IGBT、MOSFET、晶閘管、PiN二極管使用率由高至低，分別為 42%，27%，14%和 10%[3]。IGBT具有驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，所需功率小，開關(guān)頻率高且損耗小，對(duì)高電壓和大電流具有良好耐性。在直流電網(wǎng)中，關(guān)鍵設(shè)備如中高壓大容量AC-DC換流器、直流變壓器以及直流斷路器大多采用IGBT開關(guān)器件進(jìn)行設(shè)計(jì)[4]。由此可見，對(duì) IGBT模塊進(jìn)行可靠性評(píng)估，對(duì)以其為核心元件的關(guān)鍵設(shè)備和直流配電網(wǎng)非常重要。

對(duì)IGBT進(jìn)行可靠性評(píng)估常見的兩種方法是：基于可靠性手冊(cè)的評(píng)估方法和基于失效機(jī)理的可靠性評(píng)估方法。目前常用的可靠性手冊(cè)有美國(guó)軍用手冊(cè)MIL-HDBK-217F和法國(guó)FIDES GUIDE可靠性手冊(cè)。器件在穩(wěn)定失效階段的失效率被認(rèn)為是某一恒定值，即器件壽命服從指數(shù)分布。通過建立元件在穩(wěn)定期的恒故障率模型以評(píng)估元件的可靠性相關(guān)參數(shù)。由于電力電子器件的迅速發(fā)展，利用可靠性手冊(cè)進(jìn)行可靠性建模有較大誤差，現(xiàn)今的研究主要是基于失效機(jī)理的可靠性評(píng)估。

文獻(xiàn)[5-8]介紹了焊料式 IGBT模塊與壓接型IGBT模塊的器件結(jié)構(gòu)及失效機(jī)理。文獻(xiàn)[9-10]利用有限元仿真軟件對(duì)壓接型 IGBT進(jìn)行功率循環(huán)仿真和壽命可靠性預(yù)測(cè)，并初步解釋和分析了模塊的失效模式和失效機(jī)理。文獻(xiàn)[11]考慮了壓接型IGBT各部件間的接觸熱阻和摩擦系數(shù)，建立了仿真模型并預(yù)測(cè)其可靠性壽命。文獻(xiàn)[12-14]從電、熱、機(jī)的角度研究了焊料式IGBT失效過程；文獻(xiàn)[15-16]通過分析 IGBT的電氣與傳熱特性建立電熱耦合模型，并對(duì)器件的結(jié)溫進(jìn)行仿真進(jìn)而評(píng)估其可靠性。對(duì)壓接式 IGBT，外部機(jī)械壓力使內(nèi)部物理層更加復(fù)雜。對(duì)其多物理場(chǎng)仿真的研究較少，文獻(xiàn)[17]考慮了壓接式 IGBT的工業(yè)誤差和內(nèi)部壓力分布，利用有限元模型對(duì)特殊應(yīng)用工況下的 IGBT進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[18]建立了電-熱-機(jī)多物理場(chǎng)耦合模型，可真實(shí)反映內(nèi)部物理量變化。焊料式與壓接式失效形式有所不同，但主要原因都是組成材料的熱膨脹系數(shù)不同，在長(zhǎng)期工作中 IGBT產(chǎn)生了變化，使熱阻或者電阻增加，反過來(lái)又提高了IGBT的結(jié)溫（即IGBT芯片處的溫度）而形成惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致了IGBT的失效。由此可見，對(duì) IGBT進(jìn)行可靠性評(píng)估的關(guān)鍵是獲取IGBT的結(jié)溫，為IGBT的壽命預(yù)測(cè)提供參數(shù)。

利用探測(cè)法、熱敏參數(shù)法、有限元數(shù)值計(jì)算法和RC熱網(wǎng)絡(luò)法可獲取IGBT模塊的結(jié)溫[19]。探測(cè)法需要破壞封裝，對(duì)瞬態(tài)響應(yīng)速度慢且存在測(cè)量誤差；熱敏參數(shù)法基于電參數(shù)法，不需要破壞封裝，但準(zhǔn)確性有待提高[20]；有限元數(shù)值計(jì)算法需要精確的物理參數(shù)，模型復(fù)雜，精確度高但計(jì)算量大；RC熱網(wǎng)絡(luò)法根據(jù)電熱特性，易于建立電熱耦合模型獲取結(jié)溫且計(jì)算速度快，應(yīng)用較為廣泛。

IGBT壽命預(yù)測(cè)模型按方法可分為物理模型和解析模型兩大類，物理模型需要對(duì)器件精確建模，解析模型則是在大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)。兩種模型的適用場(chǎng)合與使用條件不同，也存在不同的精確性和局限性[21]，對(duì)不同電壓等級(jí)的IGBT采用的壽命預(yù)測(cè)模型也不同[22]。

綜上所述，IGBT內(nèi)部損耗與溫度隨不同運(yùn)行工況而變化，對(duì) IGBT器件進(jìn)行可靠性評(píng)估應(yīng)結(jié)合實(shí)際運(yùn)行工況。本文結(jié)合貴州大學(xué)城市配電網(wǎng)柔性互聯(lián)關(guān)鍵設(shè)備及技術(shù)研究示范工程，以直流配電中心的混合式MMC和DAB換流器中不同型號(hào)的 IGBT模塊為研究對(duì)象，計(jì)算其在實(shí)際運(yùn)行工況下內(nèi)部功率損耗和結(jié)溫，而后通過雨流算法對(duì)結(jié)溫進(jìn)行處理得到溫度循環(huán)數(shù)據(jù)，從而得到壽命預(yù)測(cè)參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)IGBT的可靠性評(píng)估。

1 焊接式IGBT結(jié)構(gòu)及失效機(jī)理

直流配電中心中混合式MMC換流器和DAB換流器中使用的IGBT均為焊接式IGBT。如圖1所示，焊接式 IGBT主要由芯片層、陶瓷層、銅層、焊料層、基板等組成，其中硅芯片與二極管構(gòu)成芯片層，陶瓷層與銅層構(gòu)成襯底層，芯片層通過焊料覆于襯底層上面，襯底層又通過焊料貼覆于基板上面，在芯片層表面覆蓋有金屬，鍵合線通過連接表面的金屬與 DBC銅基板完成電氣連接。

圖1 焊接式IGBT結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of welded IGBT structure

焊料式 IGBT失效可以分為與封裝有關(guān)的失效和與芯片有關(guān)的失效，前者是 IGBT失效的主要原因。鍵合線失效和焊料層疲勞是封裝相關(guān)失效的主要形式，其原因都是材料的熱膨脹系數(shù)不匹配，在運(yùn)行過程中溫度的不斷波動(dòng)加劇了模塊疲勞老化過程，模塊的老化使得其在運(yùn)行時(shí)溫度升高，形成模塊發(fā)熱與模塊老化的惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致了IGBT的失效。

2 電熱耦合模型

2.1 IGBT模塊功率損耗模型

IGBT模塊的功率損耗包括內(nèi)部IGBT芯片的功率損耗和二極管FWD的功率損耗。對(duì)工作中的IGBT模塊，功率損耗由靜態(tài)功耗、開關(guān)功耗和驅(qū)動(dòng)功耗組成。其中靜態(tài)功耗又包括通態(tài)損耗和截止損耗，開關(guān)功耗包括開通、關(guān)斷過程中的功率損耗。IGBT的截止和驅(qū)動(dòng)功率損耗在總損耗中占比很低，在計(jì)算功率損耗時(shí)可忽略。FWD的功率損耗與IGBT相似，不同的是FWD的開通損耗可以忽略不計(jì)，故在 IGBT的功耗計(jì)算時(shí)，只需考慮芯片的通態(tài)損耗和開關(guān)損耗，以及FWD的通態(tài)損耗和關(guān)斷損耗。

2.1.1 IGBT模塊的通態(tài)損耗

IGBT的通態(tài)損耗 Pcond_t與集電極電流ic、集射極飽和壓降Vce、占空比δ(t)有關(guān)，具體公式如下：

式中：ic和 δ(t)都是與時(shí)間有關(guān)的函數(shù)，而 Vce不僅與ic有關(guān)，還與此時(shí)IGBT的結(jié)溫Tj有關(guān)。具體公式如下：

式中：Vce0為初始飽和壓降；rce為導(dǎo)通電阻。Vce0和rce均與結(jié)溫Tj有關(guān)且與Tj近似線性變化，即：

式中：Vce_25℃為IGBT在溫度為25 ℃時(shí)的飽和壓降；rce_25℃為IGBT在溫度為25 ℃時(shí)的導(dǎo)通電阻；TCV和TCr分別表示Vce和rce的溫度系數(shù)，可根據(jù)IGBT使用手冊(cè)中的ic-Vce曲線，由25 ℃和125 ℃（或150 ℃）時(shí)的輸出特性線性擬合得到。同樣，F(xiàn)WD的通態(tài)損耗可表示為：

二極管的飽和壓降VF可表示為：

2.1.2 IGBT模塊的開關(guān)損耗

IGBT的開關(guān)損耗Psw與電壓Vcc，電流ic，結(jié)溫 Tj，開關(guān)頻率 ?sw和門級(jí)電阻 Rg有關(guān)。芯片的開關(guān)損耗 Psw_t中開通損耗 Pon_t和關(guān)斷損耗 Poff_t以及FWD的關(guān)斷損耗Psw_d，具體公式如下：

式中：Esw_on和 Esw_off及Esw_rr分別為額定電壓、額定電流時(shí)芯片的開通損耗和關(guān)斷損耗及 FWD的關(guān)斷損耗；Udc表示直流側(cè)電壓；IN與UN為IGBT模塊使用手冊(cè)中開關(guān)損耗測(cè)試的測(cè)試電流和測(cè)試電壓；KRg_on和KRg_off及KRg_rr為門級(jí)電阻Rg對(duì)相應(yīng)損耗的影響系數(shù)，可通過 IGBT使用手冊(cè)EonEoff-ic曲線和EonEoff-Rg曲線獲得。KTj_I和KTj_F為溫度系數(shù)，一般情況下：

2.2 IGBT模塊的熱網(wǎng)絡(luò)模型

目前常用Foster熱網(wǎng)絡(luò)模型和Cauer熱網(wǎng)絡(luò)模型的參數(shù)可以使用手冊(cè)相關(guān)曲線擬合得到。Foster模型各節(jié)點(diǎn)沒有特定的物理意義，一般通過3～4階RC網(wǎng)絡(luò)就可以擬合。Cauer模型各節(jié)點(diǎn)的參數(shù)代表各層材料的溫度，其熱網(wǎng)絡(luò)參數(shù)也可以由相關(guān)曲線擬合得到。本文采用 Foster模型對(duì)IGBT建立熱網(wǎng)絡(luò)模型，如圖2所示。

圖2 IGBT的Foster熱網(wǎng)絡(luò)模型Fig.2 Foster thermal network model of IGBT

圖2中，PT和PD表示IGBT和FWD的功率損耗；RTi和 CTi(i=1,2,3,4)，RDi和 CDi(i=1,2,3,4)分別表示IGBT芯片和FWD到殼的等效熱阻和熱容；Rch、Cch和Rca、Cca表示殼到散熱器、散熱器到環(huán)境的等效熱阻和熱容；Ta表示環(huán)境溫度。IGBT內(nèi)部溫度的運(yùn)算可轉(zhuǎn)化為由Foster模型等效的電流源、電阻、電容串聯(lián)的一階電路運(yùn)算，IGBT和二極管的功率損耗分別作為對(duì)應(yīng)的電流源輸入，IGBT和二極管的熱阻熱容作為對(duì)應(yīng)的電阻電容，則IGBT和FWD分別到殼之間的電壓即為溫度。

3 IGBT的壽命預(yù)測(cè)模型

本文選用的模型為 Bayerer壽命預(yù)測(cè)模型。Bayerer壽命模型如下：

式中：ΔTJ表示結(jié)溫差；TJmax表示結(jié)溫最大值，℃；ton為加熱時(shí)間，s；I是單根鍵合線電流，A，即IGBT芯片電流；V表征阻斷電壓，按V/100計(jì)算；D 為鍵合線直徑，μm；α、β分別是模型參數(shù)；β3～β6為負(fù)值。

Bayerer模型考慮了結(jié)溫差、最大結(jié)溫、加熱時(shí)間、鍵合線電流等多個(gè)因素對(duì)壽命的影響。該模型考慮因素全面，但參數(shù)獲取較困難，適用于基板材料Al2O3和Cu的IGBT模塊。

文獻(xiàn)[23]對(duì)使用不同模塊技術(shù)的IGBT在不同測(cè)試環(huán)境下的大量功率循環(huán)數(shù)據(jù)，考慮結(jié)溫、加熱時(shí)間、鍵合線直徑及單根鍵合線電流等變量對(duì)參數(shù)進(jìn)行擬合。按相關(guān)變量進(jìn)行整理，得到各變量參數(shù)值及其適用范圍，如表1所示。本文涉及的IGBT模塊相關(guān)變量均在其適用范圍內(nèi)。

表1 Bayerer模型參數(shù)及適用范圍Tab.1 Bayerer model parameters and scope of its application

4 雨流算法

雨流算法又稱“塔頂法”，是由英國(guó)工程師M.Matsuishi等人于 20世紀(jì)中葉提出來(lái)的基于雙參數(shù)法的一種統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)法。該計(jì)數(shù)法實(shí)際過程是將測(cè)得的載荷曲線劃為許多個(gè)循環(huán)，并記錄循環(huán)的幅值和均值兩個(gè)數(shù)據(jù)[24]。雨流算法在 IGBT熱循環(huán)中的應(yīng)用可以從 IGBT的瞬時(shí)溫度曲線中獲取結(jié)溫信息，包括結(jié)溫波動(dòng)、均值和最大值，為模塊的壽命預(yù)測(cè)提供所需參數(shù)。

雨流算法是將隨時(shí)間變化的載荷曲線順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，旋轉(zhuǎn)后豎軸表示時(shí)間，橫軸表示載荷。設(shè)定雨點(diǎn)以峰（谷）值為起點(diǎn)沿斜面向下流動(dòng)，沿雨點(diǎn)軌跡尋找載荷循環(huán)，如圖3。

圖3 雨流算法Fig.3 Rain-flow algorithm

雨流算法計(jì)數(shù)規(guī)則如下：

步驟1：雨流依次以峰（谷）值處為起始點(diǎn)沿斜邊內(nèi)側(cè)向下流動(dòng)；

步驟2：雨流流到峰（谷）值處垂直落下，直到對(duì)面的峰（谷）值高于起點(diǎn)或谷值低于起點(diǎn)；

步驟3：當(dāng)雨流與來(lái)自上層斜面的雨流軌跡相遇時(shí)停止，此時(shí)雨流軌跡構(gòu)成一個(gè)閉合曲線，即全循環(huán)；

步驟4：提取并記錄每個(gè)全循環(huán)相應(yīng)幅值和均值；

步驟5：以上為雨流計(jì)數(shù)的第一階段，將第一階段剩下的發(fā)散-收斂曲線轉(zhuǎn)化為收斂-發(fā)散形式，重復(fù)步驟1～4提取全循環(huán)，此為雨流算法的第二階段計(jì)數(shù)；

步驟6：雨流計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)的循環(huán)總數(shù)等于第一階段與第二階段循環(huán)計(jì)數(shù)總和。

5 IGBT模塊壽命預(yù)測(cè)流程

壽命預(yù)測(cè)模型反映了 IGBT模塊受熱機(jī)械應(yīng)力發(fā)生疲勞損傷，并且疲勞損傷累加最終導(dǎo)致失效的過程。IGBT模塊結(jié)溫是影響其壽命的主要參數(shù)。首先通過功率損耗模型和熱網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算IGBT結(jié)溫，其中模型數(shù)據(jù)可由 IGBT使用手冊(cè)獲得。而后采用雨流算法提取結(jié)溫循環(huán)，得到壽命預(yù)測(cè)模型所需參數(shù)，再利用壽命預(yù)測(cè)模型計(jì)算 IGBT失效周次，最后計(jì)算 IGBT失效率。雨流算法是電熱耦合模型和壽命模型的中間環(huán)節(jié)，在通過電熱耦合模型得到的大量數(shù)據(jù)中提取結(jié)溫的統(tǒng)計(jì)特征，為壽命模型的使用提供數(shù)據(jù)支持?；陔姛狁詈夏Ｐ偷腎GBT模塊可靠性評(píng)估流程圖如圖4所示。

圖4 IGBT可靠性評(píng)估流程圖Fig.4 Flow chart of IGBT reliability evaluation

6 算例分析

本文結(jié)合貴州大學(xué)城市配電網(wǎng)柔性互聯(lián)關(guān)鍵設(shè)備及技術(shù)研究示范工程，以示范工程中的混合式MMC換流器中全橋和半橋子模塊以及DAB換流器中基礎(chǔ)功率單元內(nèi)部IGBT模塊為研究對(duì)象。其中混合式MMC換流器使用的IGBT型號(hào)為英飛凌公司的 2MB100VA-170-50，DAB換流器使用的IGBT型號(hào)為富士公司的FF100R12RT4。

6.1 電熱耦合模型仿真分析

在 SIMULINK平臺(tái)上建立電熱耦合仿真模型，所需參數(shù)可由使用手冊(cè)計(jì)算得到。為了對(duì)MMC和DAB換流器中IGBT模塊的結(jié)溫進(jìn)行分析，本文以8月20日—8月24日直流配電中心MMC換流器上橋臂電流和DAB換流器原邊電流的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為IGBT可靠性評(píng)估的數(shù)據(jù)來(lái)源。首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，分別選取MMC和DAB設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，以1 s為間隔記錄數(shù)據(jù)，其中MMC共計(jì)166 320個(gè)數(shù)據(jù)，DAB共計(jì)35 480個(gè)數(shù)據(jù)。電熱耦合模型中MMC和DAB換流器中的IGBT模塊熱網(wǎng)絡(luò)參數(shù)見IGBT見表2、表3。熱阻熱容參數(shù)可根據(jù)使用手冊(cè)Zth-Pw（pulse width）曲線及瞬態(tài)熱阻抗Zth表達(dá)式計(jì)算得到。Zth表達(dá)式如下：

表2 MMC中IGBT模塊的熱網(wǎng)絡(luò)參數(shù)Tab.2 Thermal network parameters of IGBT module in MMC

表3 DAB中IGBT模塊的熱網(wǎng)絡(luò)參數(shù)Tab.3 Thermal network parameters of IGBT module in DAB

由電熱耦合模型計(jì)算得到 MMC和 DAB中IGBT芯片和FWD的結(jié)溫變化分別如圖5、圖6所示。由圖5、6可知，芯片和FWD結(jié)溫變化呈波動(dòng)形，波動(dòng)在短時(shí)間上升后在某一恒定值附近波動(dòng)，MMC中IGBT芯片最高溫度為89.39 ℃，溫度變化趨于緩和后在85 ℃附近波動(dòng)，F(xiàn)WD最高溫度為99.07 ℃，短時(shí)上升后在95 ℃附近波動(dòng)；DAB中IGBT芯片最高溫度為86.96 ℃，溫度變化趨于緩和后在83 ℃附近波動(dòng)，F(xiàn)WD溫度最高為93.06 ℃，溫度變化趨于緩和后在90 ℃附近波動(dòng)。由于實(shí)際工作時(shí)DAB內(nèi)部IGBT模塊的功率損耗較小，且DAB中使用的IGBT模塊中的熱阻熱容大多比MMC中熱阻熱容小，故DAB中IGBT模塊（IGBT芯片和FWD）的結(jié)溫比MMC中IGBT結(jié)溫低。

圖5 MMC中IGBT結(jié)溫變化曲線Fig.5 Curve of junction temperature change of IGBT module in MMC

圖6 DAB中IGBT模塊結(jié)溫變化曲線Fig.6 Curve of junction temperature change of IGBT module in DAB

6.2 雨流算法提取結(jié)溫參數(shù)

利用雨流算法對(duì)變化趨于緩和后的溫度進(jìn)行循環(huán)參數(shù)提取，MMC、DAB中IGBT模塊溫度循環(huán)直方圖分別如圖7、圖8。MMC設(shè)備中，IGBT芯片溫度循環(huán)中，平均溫度分布在 82～88 ℃，結(jié)溫波動(dòng)范圍為 1.242 7×10-5～9.378 5 ℃；FWD 溫度循環(huán)中，平均溫度在 90～98 ℃，結(jié)溫波動(dòng)范圍為1.466 1×10-5～10.604 2 ℃。DAB 設(shè)備中，IGBT 芯片溫度循環(huán)中，平均溫度分布在80～86 ℃，結(jié)溫波動(dòng)范圍為 6.675 2×10-4～8.542 5 ℃；FWD 溫度循環(huán)中，平均溫度在80～95 ℃，結(jié)溫波動(dòng)范圍為0.001 8～13.357 5 ℃。由于循環(huán)次數(shù)較多，本文僅列出結(jié)溫波動(dòng)最大時(shí)的循環(huán)數(shù)據(jù)，如表4所示。

圖7 MMC中IGBT模塊結(jié)溫循環(huán)直方圖Fig.7 Histogram temperature cycle of IGBT module in MMC

圖8 DAB中IGBT模塊結(jié)溫循環(huán)直方圖Fig.8 Histogram junction temperature cycle of IGBT module in DAB

表4 結(jié)溫波動(dòng)最大時(shí)溫度循環(huán)數(shù)據(jù)Tab.4 Temperature cycle data under the situation of fluctuate largest temperature

6.3 壽命及可靠性預(yù)測(cè)結(jié)果

雨流算法提取出了IGBT模塊在正常運(yùn)行下的溫度循環(huán)數(shù)據(jù)，將得到的結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)代入到 Bayerer壽命預(yù)測(cè)模型中，得到IGBT的失效周次和IGBT模塊的壽命，進(jìn)而估算模塊在實(shí)際運(yùn)行過程中的失效率。結(jié)果表明MMC和DAB換流器中IGBT模塊的 IGBT芯片和 FWD的失效周次在 1.06×109～5.61×109次，故障率在 0.001 3～0.009 9 次/年。具體IGBT模塊壽命及可靠性參數(shù)預(yù)測(cè)表5所示。

表5 IGBT模塊壽命及可靠性參數(shù)Tab.5 IGBT module life and reliability parameters

本文根據(jù)英飛凌和富士公司提供的可靠性報(bào)告，對(duì)由功率循環(huán)試驗(yàn)得到的壽命曲線進(jìn)行Bayerer模型擬合得到兩種IGBT型號(hào)的失效率。表6將由曲線擬合得到的失效率與基于電熱耦合模型和 Bayerer壽命預(yù)測(cè)模型計(jì)算得到的失效率對(duì)比。值得注意的是，壽命循環(huán)曲線并不針對(duì)某一具體型號(hào)，而是廠家對(duì)使用某種模塊技術(shù)的IGBT在不同條件下進(jìn)行功率循環(huán)測(cè)試得到的統(tǒng)計(jì)值。在MMC換流器中投入運(yùn)行的IGBT，考慮其實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到的失效率比通過廠家統(tǒng)計(jì)值得到的結(jié)果較低，這是由于設(shè)備投入運(yùn)行的時(shí)間不長(zhǎng)，IGBT老化程度低且設(shè)備負(fù)載較輕，故得到的失效率較低。而DAB換流器中IGBT的失效率則與廠家統(tǒng)計(jì)值得到的結(jié)果相近。綜上所述，考慮了工作運(yùn)行狀態(tài)并基于電熱耦合模型和壽命預(yù)測(cè)模型獲得的失效率更能反映IGBT的實(shí)際運(yùn)行情況。

表6 Bayerer模型和廠家統(tǒng)計(jì)值下的失效率對(duì)比Tab.6 Comparison of failure rate between Bayerer model and manufacturer statistics

7 結(jié)論

以貴州大學(xué)直流配電中心關(guān)鍵設(shè)備中的IGBT模塊為研究對(duì)象，在SIMULINK環(huán)境中進(jìn)行仿真，結(jié)果表明IGBT芯片和FWD結(jié)溫變化呈波動(dòng)性，波動(dòng)在短時(shí)間上升后在某一恒定值附近波動(dòng)，其中混合MMC換流器中IGBT芯片溫度變化趨于緩和后在85 ℃左右波動(dòng)，F(xiàn)WD溫度短時(shí)上升后在95 ℃附近波動(dòng)；直流變壓器中IGBT芯片溫度變化趨于緩和后在 83 ℃附近波動(dòng)，F(xiàn)WD溫度變化趨于緩和后在90 ℃附近波動(dòng)。通過雨流算法對(duì)提取循環(huán)統(tǒng)計(jì)特征后，使用Bayerer模型對(duì)IGBT進(jìn)行壽命及可靠性參數(shù)預(yù)測(cè)，結(jié)果表明MMC換流器和直流變壓器中IGBT模塊的IGBT芯片和 FWD 的失效周次在 1.06×109～5.61×109次之間，故障率在0.001 3～0.009 9次/年之間。并與由廠家統(tǒng)計(jì)值擬合得到的失效率對(duì)比，本文提出的基于電熱耦合模型和壽命預(yù)測(cè)模型的 IGBT可靠性評(píng)估方法更能反映器件的實(shí)際運(yùn)行狀況。