igbt模块的电热耦合模型及寿命预测方法的研究

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1、分类号：TN322+.8密级：公开UDC：621.3编号：201421401084河北工业大学硕士学位论文IGBT模块的电热耦合模型及寿命预测方法的研究论文作者：王少杰学生类别：全日制学科门类：工学学科专业：电气工程指导教师：姚芳职称：教授资助基金项目：国家自然科学基金（NO.51377044）DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofElectricalEngineeringTHEELECTRO-THERMALMODELOFIGBTMODULEANDRESEARCHOFLIFEPREDICT

2、IONMETHODbyWangShaojieSupervisor:Prof.YaoFangNovember2016ThisworkwassupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina.No.51377044摘要近年来，随着环境问题的日益严峻和化石能源的逐渐减少，对清洁能源的开发与利用成为了重要的课题，风能作为一种最普遍的清洁能源，得到了大规模的开发与利用。随着风电装机容量的不断攀升和风电消纳容量的不断增加，风力发电系统的运行可靠性越来越大地影响着整个电力系统的运行可靠性。风电变流器作为风力发电系统中的重要电工设备，其失效率非常高。

3、变流器各部分组成单元中，失效率最高的是其应用的功率器件IGBT，占31%左右的比率，在工作过程中网侧变流器中应用的功率模块由于受到负载的影响，结温波动较大，比机侧变流器中的更容易失效。因此，要提高风电变流器的可靠性，应首先对网侧变流器中IGBT模块的可靠性进行研究。目前，功率模块相关的寿命预测研究考虑因素较为单一，一般只将结温历史作为主要的考虑因素，而没有考虑器件退化对寿命预测的影响。为了在寿命预测研究中加入功率模块的退化因素，论文的主要工作如下：（1）深入研究IGBT模块瞬态热阻抗的测量技术，测量老化进程中的瞬态热阻抗曲线；将老化进程中的瞬态热阻抗曲线拟合成Foster热网络模型，分析热

4、网络模型中各阶参数的退化规律，建立带有退化参数的Foster热网络模型，即瞬态热阻抗的退化模型。（2）深入分析IGBT模块功率损耗的构成，在此基础上建立基于开关周期平均损耗的功率损耗计算模型，结合Foster热网络模型，搭建网侧变流器部分的电热耦合模型，该模型可以仿真IGBT模块在负载波动下的结温曲线；利用带有退化参数的Foster热网络模型搭建考虑IGBT模块退化状态的电热耦合模型，可以仿真退化后IGBT模块工作的结温曲线，为寿命预测的研究提供数据。（3）深入研究用于功率器件寿命预测的损伤累积法则、载荷谱编制法则及寿命预测模型，在此基础上提出一种累积损伤反馈模型，该模型在小的寿命范围内损

5、伤累积遵循Miner线性损伤累积法则，在全寿命过程中认为损伤累积加速，在寿命预测过程中不断将累积的损伤反馈回电热耦合模型中，对电热耦合模型进行修正，利用修正后的模型仿真的结温进行寿命预测，以期提高寿命预测的准确性。关键字：IGBT模块寿命预测电热耦合模型结温退化状态IABSTRACTInrecentyears,astheincreaseofenvironmentalproblemsandthegraduallyreduceoffossilenergy,thedevelopmentandutilizationofcleanenergyhasbecomeanimportanttopic,win

6、dpowerasakindofthemostcommonformofcleanenergyhasgottenlargescaledevelopmentandutilization.Astheworld’swindpowerinstalledcapacityrising,thereliabilityofthewindpowersystemoperationgreatlyaffecttherunningreliabilityofthewholepowersystem.Asanimportantpartinwindpowergenerationsystem,windpowerconverterh

7、asveryhighfailurerate(about31%),andthefaultsduetothefailureofpowerdeviceIGBTareinlargepart.Sotoimprovethereliabilityofwindpowerconverter,shouldstudythereliabilityoftheIGBTmodulefirstly.Theuncertaintyofthepowergri