考慮退化狀態的功率器件壽命預測研究

姚芳+王少杰+李志剛

摘 要： 功率變流器是風機系統的核心組件，其可靠性直接影響風電系統的可靠性。風電變流器中主要的失效部件是IGBT模塊，因此對IGBT模塊進行壽命預測可以提高整個風電系統的可靠性。首先討論變流器電熱耦合模型中的退化參數，然后基于LESIT壽命預測模型和雨流循環計數法提出考慮IGBT模塊退化狀態的壽命預測方法。文中以1.2 MW風力發電系統為例，預測了網側風電變流器中IGBT模塊的壽命，并對比分析了是否考慮模塊的退化狀態對壽命預測結果的影響。

關鍵詞： 壽命預測； 退化狀態； 電熱耦合模型； IGBT

中圖分類號： TN626?34； TM46 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）14?0132?04

Abstract： Power converter is a crucial component of the wind turbine generator system， and its reliability influence the reliability of the wind power system directly. The IGBT module is the main possible failure part in the wind power converters， so predicting the lifetime of IGBT can improve the reliability of the entire wind power system. The degradation parameters of the converter electro?thermal model are discussed. The lifetime prediction method considering the degradation state of IGBT is proposed based on the LESIT model and rain?flow cycle counting method. A 1.2 MW wind energy conversion system is taken as a study example， the lifetime of IGBT module in grid side converter is predicted， and the two lifetime prediction results which considers and does not consider the degradation state are compared.

Keywords： lifetime prediction； degradation state； electro?thermal model； IGBT

0 引 言

近年來，風力發電技術有了飛速發展，世界風電裝機容量不斷上升，對整個電網的影響也隨之增大，為了提高電網整體的可靠性，迫切需要提高風力發電系統的可靠性。1993—2004年的一項風電系統故障率的統計結果顯示，風電變流器作為風力發電系統的核心組件，是主要失效組件之一[1?2]。

風電變流器中最主要的失效部件是其應用的功率半導體器件IGBT[3]。提高風電變流器的可靠性，需要開展IGBT模塊的壽命預測研究，若能在其失效前及時更換，可以降低維修成本及故障損失。

目前，依據功率器件的結溫來進行壽命預測研究是一種常用的方法，由于功率器件的封裝特性，結溫難以實時測量，因此需要首先計算器件的結溫數據。文獻[4?7]利用LUT解耦了器件與系統之間的仿真，搭建了能夠快速仿真的電熱耦合模型，可以得到長時間尺度的結溫數據。文獻[8]建立了基于開關周期損耗與輸出周期平均損耗的結溫計算模型，并進行了比較，證明基于開關周期的結溫計算模型更適合計算變流器輸出頻率較低時的結溫數據。文獻[9]提出了一種結溫迭代數值計算的方法，能夠通過實際風速及氣溫數據計算器件結溫，與電熱仿真方法相比，縮短了計算時間。

在經過連續測量或者仿真得到功率器件的結溫歷史后，需要通過壽命預測模型與損傷累積模型對模塊進行損傷計算。文獻[5]利用Coffin?Manson模型對IGBT模塊進行了壽命預測，忽略了結溫波動的影響，文獻[10]同時考慮了結溫均值與結溫波動，使用LESIT模型評估風電變流器中IGBT模塊的壽命消耗。文獻[11]在多時間尺度下對IGBT模塊進行了壽命評估。文獻[12]考慮運行功率變化的影響對風電變流器進行了可靠性評估。以上的壽命預測方法中主要采用Miner線性損傷累積法進行損傷累積的計算，未考慮模塊退化的影響，影響壽命預測結果的準確性。因此，應當進行考慮器件退化狀態的壽命預測方法，研究如何提高壽命預測準確性。

考慮器件退化首先要研究電熱耦合模型中的退化參數，然后在壽命預測的過程中，將器件的退化參數不斷反饋回電熱耦合模型中，對電熱耦合模型進行修正，提高壽命預測的精度。

1 退化中的電熱耦合模型

采用文獻[7]介紹的能夠快速仿真的電熱耦合模型仿真功率器件結溫，其中的熱模型為Foster熱網絡模型：

式中：表示結殼瞬態熱阻抗；t表示時間；ri表示第i階熱阻；τi表示第i階熱時間常數。

二階Foster熱網絡模型如圖1所示。該模型中的熱阻、熱容參數可以通過IGBT模塊瞬態熱阻抗曲線擬合得到，退化過程中瞬態熱阻抗曲線的變化將引起模型中參數的改變。因此，通過加速壽命老化實驗研究瞬態熱阻抗的退化規律，進而研究帶有退化參數的Foster熱網絡模型，可以建立退化中的電熱耦合模型。

對某型IGBT模塊進行溫度循環老化試驗，設置通入的集電極電流Ic=50 A，殼溫上限為90 ℃，下限為40 ℃，每循環1 000次在瞬態熱阻抗測試平臺上測量IGBT模塊的瞬態熱阻抗曲線。瞬態熱阻抗在每次測量時會逐漸趨于一個穩態值，這個穩態值為穩態熱阻，通常認為穩態熱阻上升20%時模塊失效。老化實驗到6 000次時穩態熱阻增加21%，判定模塊失效，老化實驗結束。0～6 000次的瞬態熱阻抗曲線經過去噪平滑處理后如圖2所示。圖2中從下到上老化次數依次為0次，1 000次，2 000次，3 000次，4 000次，5 000次，6 000次。

將瞬態熱阻抗曲線利用二階Foster熱網絡模型進行擬合，對各階熱阻和熱時間常數進行歸一化處理后分析退化趨勢，發現各階熱阻均以相同的趨勢上升，而熱時間常數基本不變，歸一后的熱阻退化趨勢如圖3所示。

由圖3可以看出，各階熱阻歸一值隨老化次數近似成線性增長，因此可建立帶有退化參數的Foster熱網絡模型，如下：

式中：表示未退化時第i階熱阻；表示未退化時第i階熱時間常數；Tr表示熱阻退化系數，與損傷累積量成線性關系，如下：

式中：Ctr為熱阻上升系數與損傷累積量的線性系數；c為損傷累積量，當c=100%時，Tr=120%，因此Ctr取0.2。

Foster熱網絡模型中，熱阻、熱容與熱時間常數滿足：

式中，表示未退化時Foster熱網絡模型中各階熱容參數，由式（2）、式（3）可知各階熱容的退化系數為。

在建立電熱耦合模型的過程中考慮IGBT模塊的退化狀態，將熱阻與熱容的退化參數Tr考慮進去，可以建立退化過程中的電熱耦合模型，更精確地計算器件結溫。

2 考慮退化狀態的壽命預測方法

本文采用LESIT模型進行壽命預測，模型如下[13]：

式中：A和α需要通過實驗數據進行擬合[10]，本文中A取1 300，α取-6.14；R是氣體常數（8.314 J/（mol·K））；Q=7.8×104 J/mol。該式前半部分很大程度上取決于溫度的波動值ΔT（實質上是一個Coffin?Manson關系），后半部分的激活能量項取決于溫度均值Tm，同時考慮了溫度差值與均值對器件壽命的影響。在實際情況中，IGBT模塊工作結溫是不規律的，每一個循環的均值Tm和差值ΔT都不一樣，而負載電流的變化更加強了器件熱循環的隨機性。本文利用雨流循環計數法來從溫度循環中提取結溫均值Tm及差值ΔT的組合。將得到的雨流法計算結果利用Miner線性損傷累積法進行損傷累積計算，如下：

式中：c表示相對損傷累積值，當c接近于1時判定器件失效；ni，j是第i個溫度的均值和第j個溫度的差值組成的循環數；（Nf）i，j是此溫度組合的失效循環數。

由于器件的損傷累積在整個壽命過程中并不是線性的，熱損傷會使IGBT模塊的封裝老化，造成性能參數的改變，導致結溫上升，而結溫的升高又會加劇熱量造成的損傷，這是一個正反饋作用。因此，不能在全壽命中采用Miner線性損傷累積法，需要建立一個修正的反饋模型，將損傷的累積反饋回電熱耦合模型中見圖4。

損傷累積造成的IGBT模塊熱阻與熱容的變化被反饋回電熱耦合模型，建立退化中的電熱耦合模型，減小了退化對結溫計算準確性的影響。但是如果太過頻繁地對電熱耦合模型進行修正，計算量將大大增加，因此，需要權衡計算精度與計算時間之間的關系。

由于認為Foster熱網絡模型中各層熱阻與熱容參數在溫度循環條件下與損傷累積量呈線性規律退化，且Ctr=0.2，為了降低計算難度，本文在損傷每增加20%時，將4%的熱阻增長量與相應的熱容降低量反饋回電熱耦合模型中，如表1所示。

3 實 例

圖5為某地一臺1.2 MW的風力發電機網側變流器某個時間段內輸出的300 s內的電流波形。將該電流波形輸入電熱耦合模型中進行電熱聯合仿真，可以得到IGBT模塊與快速恢復二極管的結溫曲線如圖5所示。仿真結溫值如圖6所示。

由圖6可知，在整個負載變化過程中，IGBT模塊與快速恢復二極管的結溫均隨負載的變化而變化，二者具有相似的峰值點和谷值點。將雨流循環計數法應用于IGBT模塊的結溫曲線，提取溫度循環特征量，雨流計數法的結果矩陣如圖7所示。

由于負載的變化，IGBT模塊的溫度均值Tm的分布較為分散，而溫度差值ΔT的分布較為集中，溫差ΔT較小的循環所占比例很大，溫差ΔT大的循環數量很少，溫差大的循環是負載的急劇變化引起的。

將溫差ΔT的分布情況與損傷的分布情況作對比，如圖8所示，可以發現，盡管溫差大的溫度循環數量很少，但卻是損傷的主要來源，因此，溫差在損傷累積的計算中不可忽視。

根據Miner線性損傷累積法，首先將圖7中溫度均值Tm與差值ΔT的組合代入式（5）中計算（Nf）i，j，式（5）前半部分中溫差ΔT的指數相關性使得低溫差的溫度循環對損傷的影響降低，而高溫差的溫度循環則會造成很大的損傷，后半部分中冪指數包含溫度均值Tm，使得當溫度均值較大時造成的損傷也較大。

然后，將圖7中的循環數據代入式（6）中，計算相對損傷，這些相對損傷的總和可以估計總的累積損傷c。在本例中，IGBT的c=3.29×10-7，可以估算出功率器件的總壽命（s）為：

式中，Lifetime表示功率器件總壽命，約為28.9年。

根據上面所討論的損傷累積的反饋作用，IGBT模塊工作6年后損傷累積大約達到20%，則需修正電熱耦合模型中的參數。選用相同風電場中某一臺已經工作約6年的變流器，分別將網側變流器輸出電流輸入原始的和修正過的電熱耦合模型中進行仿真，仿真結果如圖9所示。

由圖9可知，修正過的電熱耦合模型仿真得到的結溫值比未修正過的略高，這符合IGBT模塊退化規律，用圖9中的結果進行壽命預測，未修正過的仿真結果計算出的相對累積損傷c=3.295×10-7，修正過的仿真結果計算出的相對累積損傷c=3.296×10-7，可以看出是否修正電熱耦合模型會影響損傷計算結果，進而影響壽命預測結果。本文中的時間尺度較短，相對累積損傷的差值不太明顯，在計算長時間尺度的數據時，是否進行損傷累積的反饋將會較大地影響壽命預測的結果。

4 結 論

電熱耦合模型中的熱模型包含熱阻和熱容兩個退化參量，在壽命預測過程中需要不斷將損傷累積量反饋回熱模型中，修正熱阻和熱容的參數，以減少模塊的退化對壽命預測精度的影響。對網側變流器中的IGBT模塊進行壽命預測，得知溫差較大的循環雖數量較少，卻是器件損傷的主要來源，因此在損傷累積計算中不能忽視溫差的影響，比較了是否進行損傷累積反饋對壽命預測結果的影響，證明考慮退化狀態能夠提高壽命預測的準確性。

注：本文通訊作者為王少杰。

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