复杂网络理念之电力电子电路可靠化分析研究

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1、复杂网络理念之电力电子电路可靠化分析研究第一章绪论1.1课题的研究背景和意义近年来，随着电力电子技术的不断进步，电力电子设备的应用范围也越来越广泛。在通信、航空航天、列车牵引、冶金石化、直流输电、家用电器、汽车电子、计算机和智能机器人等领域都能见到电力电子设备的身影[1-3]。在发达国家有40%以上电能要经过一次以上的电力电子变流装置处理后才供给用电负荷使用，且目前该比例还在进一步上升[4]，电力电子技术已成为21世纪推动人类社会发展的关键技术之一。随着电力电子设备在国民经济各领域中的广泛应用，人们对其可靠性的要求与它本身脆弱特性之间的矛盾越来越尖锐。一项针对电气设备

2、制造、电机拖动、公用设施和航空航天等领域公司的调查结果显示，50%以上的公司对现有电力电子设备的可靠性表现不满意[5]；在风能、太阳能等新能源发电领域，电力电子变换器是实现电能转换及并网外送的关键设备，其安全可靠工作对于新能源发电系统而言意义重大，但统计结果同样显示，新能源发电系统的大部分运行问题是由于电力电子变换器故障引起的[6]；在公用及商用LED照明领域，理论分析与实际运行数据也一致表明，以电力电子电路为核心的LED驱动电源寿命相对LED灯珠来说，寿命较短，经常出现LED灯完好而电源先坏的现象。随着LED照明系统的推广应用，LED驱动电源的可靠性也亟待提高[7,

3、8]。电力电子设备的可靠性不足问题已经给新技术的应用推广和国民经济的发展带来了较大的负面影响。因此，开展电力电子电路的可靠性研究，并寻找合适的方法以降低电力电子电路的失效率，对提高电力电子电路可靠性，推动电力电子技术的发展和社会进步具有重要意义。1.2国内外研究现状电力电子电路是构成各种电子电气系统的关键组件，电力电子电路一旦发生故障，轻则导致整个设备或系统停机，重者可能导致人身伤亡，造成重大的经济损失和社会影响，因此，保证电力电子电路的安全可靠工作是十分重要的。目前关于电力电子电路可靠性的研究主要集中在电力电子元件的失效机理、电力电子电路的故障监测与诊断、电力电子电

4、路的优化设计等方面。电力电子元件失效机理主要研究内容是从构成半导体器件的材料特性出发来分析电力电子元件失效的根本原因，然后针对这些原因，通过改善元件的制造工艺和设计方法来提高电力电子元件的可靠性；电力电子电路故障监测与诊断的主要研究内容是通过对电路运行信号的采样和处理，监测电力电子电路的运行状态，实时预测和发现电力电子电路故障，以减少设备停机时间，提高维修效率；电力电子电路的优化设计主要是研究电力电子元件的选型、电路控制、电路拓扑结构和热设计等方面的优化策略，设法在电路的设计阶段提高其可靠性，从而大大降低设备的失效率和维修成本。1.2.1电力电子元件失效机理的研究现状

5、电力电子电路中最容易发生失效的元件是半导体器件和电解电容。一项针对电力电子电路实际运行故障情况的调查结果显示，电路中40%的故障是由半导体器件损坏引起的，26%的故障是由电路中电解电容器失效引起[5]。半导体器件是构成电力电子电路的关键元件之一，同时它也是一种十分脆弱的元件，过压、过流、高温及静电等都可能造成半导体器件的损坏；电解电容由于具有体积小、容量大、成本低等优点，是电力电子电路中稳压与滤波模块中最常用的器件之一，电解电容的常见故障有击穿失效、开路失效、漏液失效及电参数超差失效等[9]。相关研究表明，半导体器件损坏的主要原因，除了在安装和运输中可能造成的机械性损

6、坏或静电损坏外，大多损坏都是由于其本身的热效应导致的。由于半导体器件通态电阻的存在，在电路运行中会产生损耗发热，特别是对于MOSFET、IGBT等开关器件来说，频繁的开关造成其损耗发热现象更加严重；同时，电力电子电路本身所具有的一些运行暂态问题，如负载波动、频繁启停机等，也会进一步加剧半导体器件的损耗发热现象；另外，电力电子电路过载及工作环境的变化同样也会造成半导体器件温度的大幅波动，这些都可能造成半导体器件过热损坏。造成半导体器件发生过热损坏的根本原因是由于构成器件常用的铝质焊线、半导体硅和铜质基板等材料的热膨胀系数（CTE）各不相同，如半导体硅的线膨胀系数是6.9

7、510-6/K，金属铝的线膨胀系数是23.810-6/K，金属铜的线膨胀系数是17.010-6/K，金属银的线膨胀系数是18.710-6/K。当半导体器件的温度上升时，器件中各个组件构成材料的膨胀系数不同，各组件受热膨胀时的膨胀程度就不同，这会造成半导体器件各组件连接处出现裂缝和焊线开裂等现象，随着裂缝的逐渐延伸，半导体器件就会发生功能失效现象。并且，电力电子电路的暂态问题及器件各组件热阻的差别会导致半导体器件各组件受热不均衡，导致各组件热膨胀程度差异进一步扩大，这也会加快了半导体器件的损坏[10-12]。第二章基于复杂网络的可靠性理论研究2.1复杂