柔直輸電系統(tǒng)MMC二次板卡可靠性試驗(yàn)與評價研究

李 丹,陳勃琛,潘廣澤,羅 琴

(1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所,廣州 511370;2.廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 511370)

0 引言

柔性直流輸電具有諸多技術(shù)優(yōu)勢,可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高波動性可再生能源的平滑接入,多電源供電及多落點(diǎn)受電,能夠提供靈活、快捷的潮流控制,是解決大范圍電力傳輸、提高可再生能源利用率以及提升供電可靠性和系統(tǒng)穩(wěn)定性等問題的有效方案。模塊化多電平換流器(modular multi-level converter,MMC)二次板卡裝置作為換流閥的控制、狀態(tài)監(jiān)測與保護(hù)裝置,在柔性直流輸電系統(tǒng)中發(fā)揮著關(guān)鍵性作用,其可靠性關(guān)系到整個輸電系統(tǒng)的安全運(yùn)行。而隨著柔性直流輸電領(lǐng)域信息技術(shù)與應(yīng)用需求的發(fā)展,柔性直流輸電的電壓等級和傳輸能力的提高,使得MMC二次板卡無論在功能上還是在結(jié)構(gòu)上都越來越復(fù)雜,對其可靠性水平的要求也越來越高[1]。但是目前在整個柔性直流換流閥和控制保護(hù)裝備的研制生產(chǎn)中,由于產(chǎn)品的關(guān)鍵元器件、板級和設(shè)備等可靠性技術(shù)中存在可靠性工程管理缺失、可靠性設(shè)計(jì)與分析能力不足、可靠性試驗(yàn)與評價方法欠缺等問題,嚴(yán)重影響了柔性直流輸電系統(tǒng)的整體可靠性水平[2-4],而MMC二次板卡在其中最為典型,因此亟需建立柔性直流輸電MMC二次板卡可靠性試驗(yàn)與評價方法,從設(shè)計(jì)源頭上找出產(chǎn)品缺陷和薄弱環(huán)節(jié),從根本上提高產(chǎn)品的可靠性,為中國柔性直流輸電工程保價護(hù)航。

目前國內(nèi)外針對柔性直流輸電系統(tǒng)可靠性的研究主要集中在系統(tǒng)級和裝備級,以MMC裝置本體與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可靠性研究居多。如余娟等[5-6]將風(fēng)速、溫度和電氣參數(shù)影響結(jié)合傳統(tǒng)的可靠性建模與評估技術(shù),提出一種計(jì)及多時間尺度熱損傷效應(yīng)的MMC可靠性評估模型。金恩淑等[7]提出了一種考慮壽命損耗影響的基于兩參數(shù)威布爾分布的MMC可靠性模型,該模型可依據(jù)元件在不同運(yùn)行時期故障率的變化建立MMC可靠性模型。在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可靠性方面,李生虎等[8]用狀態(tài)空間和分層等值算法,給出雙MMC-HVDC 狀態(tài)空間模型,建立可靠性指標(biāo)對子塊冗余數(shù)、元件故障率靈敏度的解析表達(dá)。許啟東等[9]提出了一種構(gòu)建子模塊相關(guān)性場景的MMC可靠性分析方法,建立了計(jì)及子模塊相關(guān)性的MMC可靠性分析模型并在相關(guān)工程得到示范應(yīng)用。

而在二次板卡可靠性方面,目前的研究僅停留在板卡的可靠性初步建模與基于統(tǒng)計(jì)的壽命評估方面。如張顏燕[10]從損壞數(shù)據(jù)中挖掘影響板卡可靠性的因素,建立板卡可靠性模型,根據(jù)板卡損壞數(shù)據(jù),采用最小二乘法,對板卡平均壽命進(jìn)行評估。

以上研究在柔性直流輸電MMC的系統(tǒng)級和設(shè)備級做了一些富有成效的工作,在二次板卡方面也做了初步工作[10]。但是傳統(tǒng)的基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的可靠性評估的準(zhǔn)確性很大程度上取決于故障樣品的數(shù)量,而二次板卡在大系統(tǒng)中應(yīng)用的數(shù)量少,故障樣品極為有限,且收集故障樣品需等待較長的時間,經(jīng)濟(jì)和時間成本均較高。因此亟需一套快速而有效的方法激發(fā)二次板卡的薄弱環(huán)節(jié)以及評估產(chǎn)品使用壽命。本文中提出的針對柔性直流輸電MMC二次板卡的強(qiáng)化試驗(yàn)與加速試驗(yàn)方法,可以在小樣本情況下快速激發(fā)產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié),有效評估產(chǎn)品使用壽命,有助于發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品故障機(jī)理,從設(shè)計(jì)源頭改進(jìn)產(chǎn)品可靠性。該方法同樣適用于柔性直流換流閥和控制保護(hù)裝備核心部件,從而為柔性直流輸電系統(tǒng)保駕護(hù)航。

1 基于強(qiáng)化試驗(yàn)的薄弱環(huán)節(jié)快速激發(fā)技術(shù)

柔性直流輸電系統(tǒng)MMC二次板卡是由大量的電子元器件和機(jī)械結(jié)構(gòu)組件(如板卡接插件)等所組成,當(dāng)某一電子元器件或組件的強(qiáng)度不足以抵抗所遭遇環(huán)境所產(chǎn)生的應(yīng)力時,就會因?yàn)闊o法承受應(yīng)力而產(chǎn)生失效[11-12]。應(yīng)力與強(qiáng)度分布示意圖如圖1所示。二次板卡在生產(chǎn)及使用過程中,所受到的振動、沖擊、溫度及濕度等各種大小不一的環(huán)境應(yīng)力,所產(chǎn)生的應(yīng)力會形成一個分布fs(s),見圖1左側(cè)分布;同時二次板卡各元器件及組件的強(qiáng)度也是各不相同,因此強(qiáng)度也會形成一個分布fδ(δ),見圖 1右側(cè)分布。當(dāng)二次板卡強(qiáng)度較弱的左側(cè),碰到環(huán)境應(yīng)力較強(qiáng)的右側(cè),如圖1斜線黑影區(qū)域,即可能發(fā)生強(qiáng)度低于環(huán)境應(yīng)力的情況,就有發(fā)生失效的可能性。當(dāng)二次板卡隨著使用時間的增加,其強(qiáng)度逐漸退化而降低,即fδ(δ)分布整體左移,且分布更為擴(kuò)散,如圖2所示,會使得更多的強(qiáng)度較弱分布被應(yīng)力較強(qiáng)分布所涵蓋,失效的可能性也隨之增加。

圖1 應(yīng)力與強(qiáng)度分布示意圖

圖2 強(qiáng)度-應(yīng)力分布與失效時間模式的關(guān)系示意圖

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)是一種利用階梯應(yīng)力激發(fā)產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié)的過程。其核心思想是利用高環(huán)境應(yīng)力,盡早將柔性直流輸電系統(tǒng)MMC二次板卡設(shè)計(jì)缺陷激發(fā)出來,從而消除設(shè)計(jì)缺陷[13],以獲得柔性直流輸電系統(tǒng)MMC二次板卡更寬的工作極限裕度,以及破壞極限界線,以求在設(shè)計(jì)階段提高二次板卡的可靠性,可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)前后分別如圖3、圖4所示。

圖3 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)前

圖4 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)后

2 可靠性加速模型分析與試驗(yàn)

2.1 基于可靠性加速試驗(yàn)的可靠性評價方法

隨著設(shè)計(jì)及生產(chǎn)技術(shù)的快速發(fā)展和進(jìn)步,柔性直流輸電核心裝備的研制周期越來越短、更新?lián)Q代的速度越來越快。尤其是在柔性直流輸電系統(tǒng)中起重要作用的電子設(shè)備,其逐漸向小型化、數(shù)字化和集成化的方向發(fā)展,同時隨著工藝和技術(shù)水平的進(jìn)步,許多電子設(shè)備的可靠性指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到了數(shù)千甚至上萬小時以上。柔性直流輸電系統(tǒng)MMC二次板卡可靠性水平的大幅提升,使得常規(guī)的可靠性試驗(yàn)方法難以滿足高可靠性電子設(shè)備指標(biāo)驗(yàn)證的需求。為快速評價柔性直流輸電MMC二次板卡的可靠性水平,采用可靠性加速試驗(yàn)的方式已成為研制方最佳的選擇。

可靠性加速試驗(yàn)是基于電子設(shè)備的故障物理分析結(jié)果,以確定電子設(shè)備的加速試驗(yàn)條件和加速因子,通過對電子設(shè)備施加高于正常水平的應(yīng)力,實(shí)現(xiàn)在較短的時間內(nèi)快速評估電子設(shè)備可靠性水平的試驗(yàn)方法[14-15]?？煽啃约铀僭囼?yàn)解決了常規(guī)可靠性試驗(yàn)時間長、效率低及費(fèi)用高等問題,適用于高可靠性(通常指標(biāo)在5 000 h以上)、長壽命的電子設(shè)備。

2.2 加速因子評估方法

包括二次板卡在內(nèi)的柔性直流換流閥和控制保護(hù)裝備核心部件中的電子組件,其主要的敏感應(yīng)力為溫度應(yīng)力、振動應(yīng)力、電應(yīng)力以及濕度應(yīng)力等,其典型可靠性加速模型包括阿倫尼烏斯(Arrhenius)模型、逆冪率模型、諾里斯-蘭茲伯格(Norris-landzberg)模型、派克(Peck)模型、艾琳(Eyring)模型、凱默尼(Kemeny)模型等。加速因子是反映在加速試驗(yàn)中應(yīng)力水平對產(chǎn)品失效作用的嚴(yán)酷等級,也反映了加速試驗(yàn)中得到的壽命信息與實(shí)際使用條件的壽命信息之間的折算規(guī)律。

2.2.1基于典型壽命分布的加速因子評估方法

若已知某部件服從典型的壽命分布函數(shù),則采用基于典型壽命分布的加速因子評估方法。

1) 壽命分布為尺度參數(shù)函數(shù)族的情況。

尺度參數(shù)函數(shù)族壽命分布是指柔性直流換流閥和控制保護(hù)裝備核心部件在應(yīng)力si作用下的累積失效率函數(shù)。

Fi(t)=G(t/σi)

(1)

式(1)中,σi為尺度參數(shù)。

當(dāng)柔性直流換流閥和控制保護(hù)裝備核心部件在應(yīng)力水平si與sj分別作用時間ti和tj的累積失效概率相同時,有:

G(ti/σi)=G(tj/σj)

(2)

由于G(·)是嚴(yán)格單調(diào)函數(shù),因此可得:

(3)

指數(shù)分布F(t)=1-e-λt是典型的尺度參數(shù)分布函數(shù),因此指數(shù)分布的加速因子為:

(4)

2) 壽命分布為位置尺度參數(shù)函數(shù)族的情況。

位置尺度參數(shù)函數(shù)族壽命分布是指柔性直流換流閥和控制保護(hù)裝備核心部件在應(yīng)力Si作用下的累積失效率函數(shù)。

(5)

式(5)中:μi為位置參數(shù);σi為尺度參數(shù)。

當(dāng)某柔性直流換流閥和控制保護(hù)裝備核心部件在應(yīng)力水平Si與Sj分別作用時間ti和tj的累積失效概率相同時,有:

(6)

由于G(·)是嚴(yán)格單調(diào)函數(shù),且tj=kijti,因此可得:

(7)

該方程對于任意可靠壽命ti恒成立,因此必須滿足:

(8)

典型的位置尺度參數(shù)族壽命分布包括正態(tài)分布、雙參數(shù)指數(shù)分布、極值分布。

對于正態(tài)分布F(t)=Φ[(t-μ)/σ],其加速因子和約束條件為:

(9)

對于雙參數(shù)指數(shù)分布F(t)=Φ[(t-μ)/σ],其加速因子和約束條件為:

(10)

對于極值分布F(t)=1-exp[λ(t-γ)],其加速因子和約束條件為:

(11)

通過式(9)和式(11)可知,對于正態(tài)分布和極值分布的加速因子為2個應(yīng)力水下2個參數(shù)的各自比值,且2個參數(shù)的各自比值相等。

3) 壽命分布為對數(shù)位置/尺度參數(shù)函數(shù)族的情況。

對數(shù)位置/尺度參數(shù)函數(shù)族壽命分布是指柔性直流換流閥和控制保護(hù)裝備核心部件在應(yīng)力Si作用下的累積失效率函數(shù),即:

(12)

當(dāng)其在應(yīng)力水平Si與Sj分別作用時間ti和tj的累積失效概率相同時,有:

(13)

由于G(·)是嚴(yán)格單調(diào)函數(shù),且tj=kijti,因此可得:

(14)

該方程對于任一可靠壽命ti恒成立,因此必須滿足:

(15)

式(15)得出了對數(shù)位置/尺度參數(shù)函數(shù)族壽命分布在不同應(yīng)力水平下的加速因子和約束條件為:

kij=exp(μj-μi)

(16)

σi=σj

(17)

典型的位置尺度參數(shù)族壽命分布包括對數(shù)正態(tài)分布和威布爾分布。

對于對數(shù)正態(tài)分布F(t)=Φ[(lnt-μ)/σ](其中μ>3σ,Φ(·)為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布)其加速因子和約束條件為:

kij=exp(μj-μi)

(18)

σi=σj

(19)

對于威布爾分布F(t)=1-exp[-(t/η)m],由于其等價于F(t)=1-exp{-exp[(lnt-μ)/σ]},其中m是形狀參數(shù),η是特征壽命,μ=lnη,σ=1/m,可以看成極值分布,其加速因子和約束條件為:

(20)

mi=mj

(21)

4) 3參數(shù)對數(shù)威布爾分布。

對于3參數(shù)威布爾分布F(t)=1-exp{-[(t-γ)/η]m}(其中γ是尺度參數(shù),t>γ),加速因子與不同應(yīng)力水平下的分布參數(shù)約束為:

(22)

mi=mj

(23)

γjηi=γiηj

(24)

5) 3參數(shù)對數(shù)正態(tài)分布。

對于3參數(shù)對數(shù)正態(tài)分布F(t)=Φ{[ln(t-γ)-μ]/σ}(其中t>γ,Φ(·)為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布),加速因子與不同應(yīng)力水平下的分布參數(shù)約束為:

kij=γj/γi=exp(μj-μi)

(25)

σi=σj

(26)

lnγj-lnγi=μj-μi

(27)

2.2.2基于應(yīng)力分析的加速因子評估方法

針對二次板卡電子組件,采用基于應(yīng)力分析的加速因子評估方法對其加速因子進(jìn)行評估。首先,確定電子組件器件組成清單、統(tǒng)計(jì)器件類型和數(shù)量。然后,根據(jù)環(huán)境條件分析各類元器件的失效機(jī)理,并根據(jù)失效機(jī)理對應(yīng)的失效物理模型,建立電子組件的基本可靠性模型。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)電子組件環(huán)境條件、各類元器件數(shù)量、使用環(huán)境條件以及元器件激活能等信息,計(jì)算電子組件在使用環(huán)境條件下和加速試驗(yàn)條件下的失效率。最后,評估電子組件在加速試驗(yàn)條件下相對使用環(huán)境條件下的加速因子。其評估流程如圖5所示。

圖5 基于應(yīng)力分析的加速因子評估方法

應(yīng)力水平數(shù)的選取是加速試驗(yàn)的關(guān)鍵。二次板卡采用可靠性加速壽命試驗(yàn)方法,可通過分析可靠性加速壽命試驗(yàn)時間以及前期評估得到的加速因子,確定二次板卡的平均故障間隔時間。采用基于應(yīng)力分析的方法對二次板卡開展加速因子評估,開展單應(yīng)力水平數(shù)的可靠性加速壽命試驗(yàn),根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),評估二次板卡的可靠性水平。

為確定二次板卡可靠性加速壽命試驗(yàn)的最大應(yīng)力量值時,應(yīng)充分進(jìn)行調(diào)研以獲得產(chǎn)品的完整的組成和耐受環(huán)境條件的信息,盡可能避免調(diào)研的不足和考慮不充分造成的疏漏;同時,在確定最高應(yīng)力時應(yīng)留有更多的余量,避免疏漏可能造成的不良影響。綜合考慮二次板卡設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的高溫工作極限、組成二次板卡各類元器件的工作溫度范圍以及可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)結(jié)果,以確定二次板卡可靠性加速壽命試驗(yàn)的試驗(yàn)應(yīng)力。

試驗(yàn)采用基于應(yīng)力分析與阿倫尼斯模型相結(jié)合方法來評估二次板卡可靠性加速壽命試驗(yàn)時間,先利用阿倫尼斯模型評估各類元器件在可靠性加速試驗(yàn)條件下相對于正常應(yīng)力下的加速因子,再按照基于應(yīng)力分析的方法得到二次板卡的加速因子,最后,根據(jù)選定的統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方案確定試驗(yàn)時間。

元器件加速因子的評估上,由于二次板卡可靠性加速壽命試驗(yàn)應(yīng)力類型采用高溫應(yīng)力,因此,采用溫度應(yīng)力模型來評估元器件的加速因子。

高溫應(yīng)力的加速因子由Arrhenius(阿倫尼烏斯)模型計(jì)算所得,有:

(28)

式(28)中:Acc為溫度Ta相對于Tu的加速因子;Ea為激活能,以eV為單位,根據(jù)IEC61709、IEC62380、IPC279、GJB299C等標(biāo)準(zhǔn)及元器件試驗(yàn)值和相關(guān)文獻(xiàn)獲取;K為玻爾茲曼常數(shù),8.617 3×10-5eV/K。

二次板卡高溫條件下的加速因子計(jì)算公式為

(29)

3 可靠性試驗(yàn)與評價案例

3.1 MMC功率模塊二次板卡強(qiáng)化試驗(yàn)

本次強(qiáng)化試驗(yàn)的對象為柔性直流輸電換流閥MMC功率模塊內(nèi)部全套二次板卡,包括了功率模塊控制板、高位取能電源、2塊IGBT驅(qū)動板、旁路開關(guān)觸發(fā)板和旁路晶閘管觸發(fā)板。這些二次板卡的作用是接收閥控對功率模塊的控制命令,控制模塊內(nèi)的電氣部件按閥控指令進(jìn)行動作,并實(shí)時監(jiān)測模塊電容電壓及各個電氣部件及板卡自身的狀態(tài)信息上送給閥控,并在功率模塊內(nèi)出現(xiàn)故障時控制模塊執(zhí)行保護(hù)動作。

李麗送走師兄后，又想到畢業(yè)了的師兄師姐很多，而在自己畢業(yè)的時候，這些師兄師姐已經(jīng)工作很多年了，大部分都已經(jīng)是公司的中層領(lǐng)導(dǎo)了，到時候如果有他們的幫助，肯定能找到一份好工作。李麗很快找到了大部分師兄師姐的聯(lián)系方式，然后逐個去聯(lián)系。

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作除樣品安裝調(diào)試等相關(guān)工作外,還包括溫度響應(yīng)調(diào)查和振動響應(yīng)調(diào)查。采用紅外熱成像儀對智能電能表進(jìn)行非接觸式溫度調(diào)查,以便了解受試控制系統(tǒng)的熱分布及溫升情況;同時,也對二次板卡開展振動響應(yīng)調(diào)查分析,以便獲取其振動響應(yīng)量值,為試驗(yàn)中的故障排除提供參考。強(qiáng)化試驗(yàn)項(xiàng)目包括低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)、高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)、快速溫度循環(huán)試驗(yàn)、振動步進(jìn)試驗(yàn)和綜合環(huán)境試驗(yàn),各試驗(yàn)項(xiàng)目間相互關(guān)系和次序如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)實(shí)施流程

通過溫度響應(yīng)調(diào)查和振動響應(yīng)調(diào)查結(jié)果,考慮該二次板卡的元器件溫度承受極限及實(shí)際使用環(huán)境溫度極限等因素,將低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)的結(jié)束溫度定為-40 ℃,高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)的結(jié)束溫度定為100 ℃,動步進(jìn)試驗(yàn)結(jié)束量級為60 g。設(shè)計(jì)的各階段實(shí)驗(yàn)步驟如下。

步驟1低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)的應(yīng)力施加。

a) 以0 ℃作為低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)的起始溫度;

b) 在溫度達(dá)到-20 ℃之前,以10 ℃為步長,-10 ℃之后,以-5 ℃為步長;

c) 每個溫度臺階上停留時間為:二次板卡達(dá)到溫度穩(wěn)定時間+10 min+測試時間;

d) 二次板卡測試前應(yīng)進(jìn)行3次起動檢測,以考核二次板卡在極端溫度下的起動能力,3次起動后進(jìn)行二次板卡功能及性能檢測,測試完畢后斷電;

e) 低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)終止條件:以-40 ℃為低溫步進(jìn)試驗(yàn)結(jié)束溫度,或者已經(jīng)找到二次板卡的低溫工作極限。

a) 以30 ℃作為高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)的起始溫度;

b) 在溫度達(dá)到50 ℃之前,以10 ℃為步長,50 ℃之后,以5 ℃為步長;

c) 每個溫度臺階上停留時間為:二次板卡達(dá)到溫度穩(wěn)定時間+10 min+測試時間;

d) 二次板卡測試前應(yīng)進(jìn)行3次起動檢測,以考核二次板卡在極端溫度下的起動能力,3次起動后進(jìn)行二次板卡功能及性能檢測,測試完畢后斷電;

e) 高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)終止條件:以100 ℃為高溫步進(jìn)試驗(yàn)結(jié)束溫度,或者已經(jīng)找到二次板卡的高溫工作極限。

步驟3快速溫度循環(huán)試驗(yàn)的應(yīng)力施加。

a) 快速溫度循環(huán)試驗(yàn)從低溫階段開始;

b) 溫度范圍:低溫工作極限溫度+5 ℃～高溫工作極限溫度-5 ℃;

c) 循環(huán)次數(shù):5個完整循環(huán)周期;

d) 溫度變化速率為40 ℃/min;

e) 每個循環(huán)中低溫和高溫階段的停留時間為:二次板卡達(dá)到溫度穩(wěn)定時間+10 min+測試時間;

f) 每個循環(huán)低、高溫溫度臺階測試前應(yīng)進(jìn)行3次起動檢測,以考核二次板卡在極端溫度下的起動能力,3次起動檢測后對二次板卡連續(xù)通電、測試,直至升溫(降溫)結(jié)束后斷電。

步驟4振動步進(jìn)試驗(yàn)的應(yīng)力施加。

a) 振動頻率范圍:5～5 000 Hz;

b) 振動形式:三軸6自由度超高斯隨機(jī)振動;

c) 起始振動量級:5 g;

d) 振動步進(jìn)步長:5 g;

e) 每個振動量級保持10 min,在每個振動步進(jìn)臺階都需要進(jìn)行測試;

f) 二次板卡施加標(biāo)稱電壓;

g) 當(dāng)振動量級達(dá)30 g后,在每個振動量級臺階結(jié)束后將振動量級降至5 g,以及時發(fā)現(xiàn)在高量級振動時出現(xiàn)的焊點(diǎn)斷裂的情況,振動維持時間一般以能夠完成一個完整的測試為準(zhǔn);

h) 振動步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)終止條件:以60 g作為振動步進(jìn)試驗(yàn)結(jié)束量級,或者已經(jīng)找到二次板卡的工作極限。

步驟5綜合環(huán)境試驗(yàn)的應(yīng)力施加。

a) 溫度應(yīng)力的施加方法同快速溫度循環(huán)的施加方法;

b) 循環(huán)次數(shù):5個完整循環(huán)周期;

c) 二次板卡的振動工作極限除以5作為振動步進(jìn)的起始振動量級,每次增加該值作為下一循環(huán)的振動量級,第五循環(huán)振動量級為振動工作極限減5 g;

d) 每個振動量級對應(yīng)一個溫度循環(huán)周期;

e) 施加振動時機(jī)與持續(xù)時間:在每個循環(huán)的升溫段開始前5 min施加相應(yīng)的振動量級直至升溫段結(jié)束后5 min;在每個循環(huán)的降溫段開始前5 min施加相應(yīng)的振動量級直至降溫段結(jié)束,然后將振動量級降至5g并維持5 min;

f) 在振動應(yīng)力施加期間對二次板卡進(jìn)行通電測試;

g) 每個循環(huán)中低溫和高溫階段的停留時間為:二次板卡達(dá)到溫度穩(wěn)定時間+10 min+測試時間。

2022年5月16日至2022年5月25日,該型MMC功率模塊二次板卡受試產(chǎn)品,按本文中提出的試驗(yàn)條件和方法進(jìn)行了可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)。因二次板卡本身自帶外殼,6塊板卡被固定在外殼上成為一個整體,板卡互相之間沒有位移,故在溫度步進(jìn)試驗(yàn)及快速溫度循環(huán)試驗(yàn)時,將二次板卡直接放置在強(qiáng)化試驗(yàn)箱內(nèi),底座放置木條以保證裝置安放平穩(wěn),而在開展二次板卡振動步進(jìn)試驗(yàn)和綜合環(huán)境試驗(yàn)時,受試產(chǎn)品用螺栓將樣品工裝剛性地固定在振動臺上。試驗(yàn)箱內(nèi)部安裝如圖7所示。試驗(yàn)中共發(fā)生了5次故障,具體如表1所示。

表1 故障情況匯總表

圖7 強(qiáng)化試驗(yàn)樣品安裝圖

通過本次可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的結(jié)果可以得出該型號MMC二次板卡的應(yīng)力極限,由于該樣品在低溫步進(jìn)試驗(yàn)和高溫步進(jìn)試驗(yàn)中均未發(fā)生故障,故其低溫極限為優(yōu)于-40 ℃;高溫極限為優(yōu)于85 ℃,振動極限為優(yōu)于50 g,同時5個故障反應(yīng)了產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)。

3.2 MMC功率模塊二次板卡加速試驗(yàn)

本次試驗(yàn)的考察目標(biāo)是某型MMC功率模塊二次板卡在45 ℃條件下工作10年。根據(jù)二次板卡使用環(huán)境的特點(diǎn),影響二次板卡壽命的主要環(huán)境因素為溫度。因此,選取高溫應(yīng)力作為二次板卡可靠性加速壽命試驗(yàn)的應(yīng)力。綜合考慮到各元器件的溫度承受程度,選擇80 ℃作為該二次板卡加速試驗(yàn)環(huán)境溫度。

根據(jù)圖5及式(29)所示的加速因子計(jì)算方法,得到二次板卡加速應(yīng)力水平下的加速因子如表2所示。

表2 二次板卡加速應(yīng)力水平下加速因子的評估結(jié)果

通過收集二次板卡元器件信息,利用2.2.2節(jié)中式(28)、式(29)計(jì)算評估可知,該二次板卡在45 ℃應(yīng)力水平失效率為9.454 7×10-6h-1,在80 ℃加速應(yīng)力水平失效率49.332 5×10-6h-1,因此該加速應(yīng)力條件下的加速因子為5.22。

二次板卡可靠性加速壽命試驗(yàn)方案采用GJB899A規(guī)定的定時截尾統(tǒng)計(jì)30-1號試驗(yàn)方案,參數(shù)如表3所示。

表3 統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方案參數(shù)

其中,α為生產(chǎn)方風(fēng)險,β為使用方風(fēng)險,θ0為MTBF檢驗(yàn)上限,θ1為MTBF檢驗(yàn)下限。

根據(jù)試驗(yàn)方案,二次板卡可靠性加速壽命試驗(yàn)的總試驗(yàn)時間為:

T總=1.204×87 600=105 530.6(h)

(30)

由于二次板卡80 ℃加速應(yīng)力水平下的加速因子為5.22,試驗(yàn)樣品數(shù)量為4臺,因此,單臺二次板卡的試驗(yàn)時間為:

T=105 530.6÷5.22÷4=5 054.15(h)

(31)

綜合以上分析,整個試驗(yàn)時間計(jì)劃按照5 055 h計(jì)劃安排,在試驗(yàn)過程中,根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整,如果提前得到足以評估可靠性的信息,則提前結(jié)束試驗(yàn)。

本試驗(yàn)于2021年9月27日10∶30開始,至2022年5月7日14∶00結(jié)束,在典型工況下實(shí)際運(yùn)行5 094 h(期間因更換外接電源設(shè)備,試驗(yàn)暫停237.5 h)。試驗(yàn)過程中,該型MMC功率模塊二次板卡沒有出現(xiàn)故障性警報。試驗(yàn)箱內(nèi)安裝如圖8所示。

圖8 加速試驗(yàn)樣品安裝圖

根據(jù)試驗(yàn)情況,4套二次板卡在80 ℃條件下的試驗(yàn)時間均為5 094 h,等效45 ℃溫度條件下工作5 094×4×5.22=106 362.7 h,試驗(yàn)期間未發(fā)生故障,滿足工作溫度45 ℃應(yīng)力條件下的平均故障間隔時間(MTBF)10 y的要求。二次板卡在工作溫度45 ℃應(yīng)力條件下MTBF的置信下限為:5 094×4×5.22×0.831=88 387.4 h(置信度為70%)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過選取相關(guān)廠家的MMC功率模塊二次板卡分別設(shè)計(jì)了可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)和可靠性加速試驗(yàn)方案,并進(jìn)行了試驗(yàn)。通過可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)前MMC功率模塊二次板卡發(fā)生故障時均為在施加振動應(yīng)力時,表明當(dāng)前產(chǎn)品在抗震設(shè)計(jì)上有所欠缺,因此在產(chǎn)品運(yùn)輸途中以及在運(yùn)行過程中的場地振動時,易發(fā)生故障。建議在板卡上更換一些質(zhì)量較小的部件,同時增加焊點(diǎn)的牢固程度。對于一些質(zhì)量較大、體積較大的元器件(如取能變壓器),建議更改焊接方式,保證其連接點(diǎn)的牢固性。進(jìn)行的加速試驗(yàn)未發(fā)生故障,驗(yàn)證了本文產(chǎn)品的使用壽命,表明該MMC功率模塊二次板卡在溫度為應(yīng)力的條件下,在運(yùn)行環(huán)境溫度不超過45 ℃時,一般是可以達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行10年的要求。

4 結(jié)論

1) 柔性直流輸電系統(tǒng)MMC功率模塊二次板卡是可歸為典型的電子產(chǎn)品,可使用Arrhenius(阿倫尼烏斯)加速模型進(jìn)行加速因子評估,并再按照基于應(yīng)力分析的方法得到二次板卡的加速因子,最終根據(jù)選定的統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方案確定試驗(yàn)時間。

2) 通過包括了低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)、高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)、快速溫度循環(huán)試驗(yàn)、振動步進(jìn)試驗(yàn)和綜合環(huán)境試驗(yàn)在內(nèi)的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn),可確定二次板卡的應(yīng)力極限,快速激發(fā)二次板卡的薄弱環(huán)節(jié)。

3) 通過柔性直流輸電系統(tǒng)MMC功率模塊二次板卡可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)與加速試驗(yàn),可以發(fā)現(xiàn)二次板卡在設(shè)計(jì)工藝、零部件、元器件和工藝等方面的缺陷,并對產(chǎn)品的使用壽命進(jìn)行評價。