基于三电平NPC型逆变器IGBT功率模块键合引线断裂的在线监测研究

摘要

三电平变流器有着大容量、耐压等级高、输出电流谐波含量少、开关损耗小等诸多优点，所以是高压大功率场合非常理想的选择之一，而二极管箝位式三电平变流器拓扑是目前相对于其他三电平拓扑，研究最多最广泛的拓扑结构。在大功率密度和高故障率的工业应用场合中，电力电子变换器的可靠性是个关键问题，尤其针对半导体开关器件。
　　论文首先介绍了三电平NPC型变流器的研究背景，分析目前针对变流器及其中半导体功率器件可靠性的研究现状。将绝缘栅双极晶体管模块内部键合引线的潜在缺陷视为失效先兆，对于提高IGBT模块可靠性的健康监测尤为重要。其次，本文针对三电平逆变器的可靠性评估，采取一种较为成熟的热敏电气参数作为故障标志，在离线状态下标定基准值和线性关系，通过采集电压和温度数据评估结温及IGBT内部结构健康状态。最后，提出了基于电路容错控制和独特的逆变器（或变流器）微调恰当的解决方案，并在MATLAB环境下仿真验证时序关系。该预测方法使用IGBT的端电压作为监测键合引线健康状况的参考，依次检测NPC型三电平逆变器三相桥臂中逆变模块是否发生故障，并在不降低逆变器的输出功率前提下控制PWM波形后保持输出平衡。可提供准确的预测结果，并允许操作者定位功率变换器内的亚健康IGBT模块，及时采取适当措施以避免故障。
　　根据仿真得出的时序逻辑搭建实物平台，TMS320F2808的DSP为控制核心，CPLD为辅助的10kW三电平NPC变流器实验平台，对本文所提方法的电压、温度数据采集准确度和变流器附加在线监测系统运行时输出特性进行了实验验证。实验结果验证了系统结构和所提功率器件驱动调制方法的正确性与有效性。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 变流器故障诊断技术研究现状

1．3 IGBT模块故障诊断技术研究现状

1．4 本文的主要研究工作

第二章 逆变器与IGBT模块失效机理

2．1 引言

2．2 逆变器的运行机理

2．3 IGBT的结构和特性原理

2．4 IGBT的失效机理

2．5 功率开关器件故障诊断

第三章 基于NPC型逆变器的在线监测系统策略

3．1 引言

3．2 结温与电压采集策略

3．2．1 IGBT模块电气键合结构

3．2．2 IGBT结温测量方法分析

3．3 检测电流脉冲同步注入原理与策略

3．4 脉冲宽度时序调制原理和实现

3．5 系统在线可靠性分析流程

3．6 仿真

第四章 在线原位状态监测系统设计

4．1 引言

4．2 在线原位监测平台的硬件设计

4．2．1 监测系统平台的结构

4．2．2 检测系统的继电器及驱动设计

4．2．3 检测脉冲电源的设计

4．2．4 信号测量设备

4．2．5 数据的采集与分析

4．3 在线原位监测平台的软件设计

4．3．1 LabVIEW简介

4．3．2 DSP与LabVIEW通信方案

4．3．3 实时测控方案

第五章 实验研究

5．1 实验系统介绍

5．2 离线参数标定实验

5．2．1 温度传感器的布置

5．2．2 芯片温场分布

5．3 在线原位监测实验

第六章 结论与展望

6．1 全文工作总结

6．2 后续工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况