基于温度梯度及统计特性的IGBT模块失效评估方法研究

摘要

随着全球范围内新能源的快速发展，能源转换系统中功率器件的可靠性对电网安全可靠运行的影响日益突出。深入研究功率器件可靠性测试和评估方法，对新能源电力设备及系统的安全评估具有重要意义。温度特性是IGBT模块产品设计和可靠性评估中的重要指标，IGBT模块在不同状态下的温度分布变化规律，常被用来判定其实际状态。
　　根据矢量分析定义，一个标量场的梯度场能更为直接的反映其变化规律。因此论文提出了采用温度梯度及其统计特性的表征功率器件热力学行为的方法。以IGBT模块的电-热-机械应力多物理耦合场模型为基础，研究其不同运行状态下的温度场及其梯度变化特性，提出了利用模块温度梯度及其统计特性来表征IGBT内部失效信息的理论和方法，并建立了IGBT模块的健康状态评估模型。论文以多种典型的IGBT模块为研究对象，搭建了相应的试验平台，利用三维有限元分析、实验结果验证了所提出模型和方法的准确性和有效性。论文的创新性工作包括：
　　①建立了计及材料温度敏感性和力学粘塑性的 IGBT模块的电-热-机械应力多物理场耦合模型，重点研究了多物理场模型的计算和散热器等效方法，并通过实验验证了模型的准确性。分析了IGBT模块不同失效形式下的温度分布规律，结合功率循环老化实验结果分析了缺陷造成的温度集中和应力集中现象，以及焊料层损伤累积过程。
　　②根据IGBT温度场云图的温度连续分布特性以及其统计特性，提出了采用温度梯度及其统计特性表征IGBT模块内部热力行为的方法。分别对不同运行条件以及不同失效形式的 IGBT模块的温度梯度以及温度云图的统计特性进行了计算分析。结果表明，温度梯度及其统计特性不仅能够有效反映模块热特性的改变，而且能够用于模块内部缺陷检测。
　　③搭建了IGBT模块温度特性试验平台，开展了不同运行工况和老化条件下的IGBT模块温度梯度和温度概率密度分布规律的试验研究，验证了论文所提出方法的准确性。试验结果表明与单一的温度场分析内部状态的方法相比，该方法除了具有更高的灵敏度，还能够有效表征器件整体温度分布差异。此外，通过分析三相全桥 IGBT模块不同控制策略下的温度梯度和温度概率密度变化规律进一步验证了方法的准确性和可扩展性。
　　④研究了不同运行工作点下IGBT模块的温度梯度和温度概率密度分布规律，通过对不同运行参数作用下的模块温度特性进行数值计算，得到了导通电流I，开关频率fsw和输出频率f等参数对IGBT模块温度特性的影响规律。
　　⑤建立了基于多特征参数的 IGBT模块健康状态综合评估模型，并利用 BP神经网络实现模块状态的准确评估。结果表明该方法总识别准确率达到93％，可为器件检测提供决策参考；并从热疲劳累积角度建立了考虑老化进程对热参数影响的IGBT模块的失效率计算模型，计算了IGBT模块不同时间尺度热载荷的热寿命消耗。

目录

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英文摘要

目录

1 绪 论

1.1 目的与意义

1.2 国内外研究现状分析

1.3 论文的创新性工作

2 IGBT模块的电-热-机械应力多物理场模型

2.1引言

2.2 IGBT模块的电-热-机械应力耦合场模型

2.3多物理场模型场域设置

2.4IGBT模块多物理场模型验证及算例计算

2.5 IGBT模块不同失效形式下的温度分布研究

2.6小结

3基于多物理场模型的IGBT模块温度特性分析

3.1 引言

3.2 基于多物理场模型的单相IGBT模块温度梯度分布

3.3 基于耦合场的三相全桥IGBT模块温度梯度分布

3.5 基于多物理场模型的IGBT模块温度统计特性分析

3.6 小结

4 IGBT模块的温度特性试验平台与结果分析

4.1 引言

4.2 试验平台的搭建

4.3不同运行工作条件下的温度梯度和温度概率密度分布

4.4 老化条件下IGBT模块的温度梯度和温度概率密度分布规律

4.5 三相IGBT模块的温度梯度和温度概率密度分布

4.6 小结

5 运行工作点变化下的IGBT模块温度特性影响分析

5.1 引言

5.2 运行工作点参数对温度梯度的影响规律分析

5.3运行工作点参数对温度概率密度分布的影响规律分析

5.4 小结

6 基于多特征量的IGBT状态评估和考虑老化影响的失效率

6.1引言

6.2基于BP神经网络的IGBT健康状态评估研究

6.3考虑老化进程对热参数影响的风电变流器失效率计算

6.4 小结

7 总结与展望

7.1完成的主要工作

7.2主要创新点

7.3 后续工作展望

致谢

参考文献

附录

A 作者在攻读博士学位期间的科研成果

B. 作者在攻读博士学位期间参与的科研项目