一种基于MMC换流阀应用工况的IGBT器件功率循环测评方法与流程

本发明属于高压直流输电技术领域，涉及一种基于mmc换流阀应用工况的igbt器件功率循环测评方法。

背景技术：

大容量模块化多电平换流器(mmc)换流阀是柔性直流输电系统主要的拓扑形式，换流阀组件中igbt器件的可靠性，直接影响到换流阀装备的可靠性。igbt器件可靠性与其关键部件外加应力、内部材料和机电热应力密切相关，需要考虑运行工况的影响。然而我国在高压大功率柔直装备研究方面起步较晚，研究基础薄弱，缺乏对igbt器件可靠性测评方法的研究。若因igbt器件失效导致mmc换流阀停运，其经济损失可达上千万元，因此如何考虑器件的应用工况，准确对igbt器件进行可靠性分析，形成有效的可靠性测评方案具有重要的现实意义。

现有针对igbt器件的可靠性测试主要依据相关的测试标准开展，该方法仅给出了可靠性测试条件与测试时间，但是难以获得其理论支撑，从而导致测试结果不准确，很难与应用工况下的igbt器件寿命相对应。因此，有必要研究igbt器件可靠性测评模型，获取不同外加测试条件下的可靠性指标变化规律，形成有效的可靠性测评方案。

基于上述背景，针对现有方法igbt器件可靠性测试难以准确评估其在应用工况下的运行寿命问题，本发明提出一种基于mmc换流阀应用工况的igbt器件功率循环测评方法。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于mmc换流阀应用工况的igbt器件功率循环测评方法，用于更加全面准确的评估mmc换流阀用igbt器件可靠性。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于mmc换流阀应用工况的igbt器件功率循环测评方法，通过计算igbt器件在运行过程中结温幅值及结温波动，获得器件累积损伤，基于等损伤原则，设计igbt器件可靠性测评实验；该方法具体包括以下步骤：

s1：根据igbt器件在应用工况下的电流电压，基于igbt和二极管的损耗模型，得到器件的导通损耗和开关损耗，根据igbt器件热网络模型，提取igbt器件和二极管的平均结温与结温波动幅值；

s2：考虑mmc换流阀的运行工况，建立igbt器件故障率计算模型；

s3：基于miner法则与等损伤原则对igbt器件进行可靠性测评建模，获取不同外加测试条件下igbt可靠性指标的变化规律，形成可靠性测评方案。

进一步，所述步骤s1具体为：根据igbt器件在应用工况下的电流电压，计算igbt和二极管损耗，建立igbt器件的热网络模型，根据igbt器件损耗，提取igbt器件和二极管的平均结温与结温波动幅值；

igbt的总损耗pt,i为：

二极管的总损耗pd,i为：

其中，下标t和d分别表示igbt和二极管，和psw,i表示在工况i下的元件平均导通损耗和开关损耗，iavg,i和irms,i分别表示在工况i下的元件在一个基波周期内电流平均值和有效值，ut0和rce为igbt导通特性曲线拟合参数，ud0和rd为二极管导通特性曲线拟合参数；at、bt和ct为igbt开关损耗特性曲线拟合参数，ad、bd和cd为二极管反向恢复损耗特性曲线拟合参数；

基于常用热网络模型foster模型，其中主要包括热阻和热容两个参数。热阻决定了结温均值，而热容决定了结温波动值。通过厂家提供的热阻抗特性曲线，拟合得到热阻与热容值，公式如下所示：

其中，n是热网络阶数，rk是第k阶热阻，τk是第k阶时间常数，τk＝rk*ck，ck是第k阶热容；

igbt和二极管的平均结温为：

其中，下标t和d分别表示igbt和二极管，tj，i表示在工况i下的元件的结温，pi表示在工况i下的元件的总损耗，rthjc和rthch分别为元件的内部热阻和外部热阻，th表示散热器的温度。

进一步，步骤s2中，依据fidesguide2009导则，建立mmc换流阀元件在i运行工况下的故障率计算模型为：

λcom,i＝(λ0th·πth,i+λ0tc·πtc,i)·πin·πpm·πpr

其中，πth,i.和πtc,i分别表示工况i下元件的热应力因子和温度循环因子，πin表示元件的过应力贡献因子，πpm表征元件的制造质量的影响，πpr表征元件寿命周期中的可靠性质量管理及控制水平的影响，λ0th和λ0tc分别表示热应力因子和温度循环因子对应的元件基本故障率。

进一步，对于热应力因子λ0th和温度循环因子对应的元件基本故障率λ0tc的取值，在分析焊接式igbt器件故障率时取导则给出值；分析压接式igbt器件故障率时，热应力因子为：

其中，α、β均为常数，不同元件对应的具体数值不同，其中igbt和二极管的α取1，β取8122.8，电容的α取0.85，β取4641.6；ti为工况i下的温度参数，对应igbt和二极管为结温；

温度循环因子为：

其中，ti表示在工况i下的元件的累计运行时间；ncy,i为在工况i下的元件的结温循环波动次数；n0表示参考循环波动次数，一般取值为2；θcy,i表示在工况i下的元件的结温波动循环时间；θ0表示参考循环时间，一般取值为12；△tcy,i为在工况i下的元件的结温波动幅值；tmax_cy,i为在工况i下的元件结温波动最大值；γ、p、m为不同元件的调整系数，其中igbt和二极管的γ取1，p取1/3，m取1.9，电容的γ取0.14，p取1/3，m取1.9。元件的πin取3.3837，πpm取0.71，πpr取4。

进一步，所述步骤s3具体为：在工况i下，igbt器件的结温循环周期ti为：

其中，ti表示在工况i下的igbt器件的累计运行时间；ncy,i为在工况i下的igbt器件的结温循环波动次数；

在工况i下，igbt器件的循环次数nf,i为：

其中，λcom,i为在工况i下igbt器件的故障率；

总运行时间ttotal后igbt器件的损伤dsj为：

其中，k为总运行时间ttotal过程中包含的不同工况数，ti表示在工况i下的igbt器件的累计运行时间；

单位时间(外加测试条件的循环周期tcyc)可靠性测试后igbt器件的损伤因子为：

其中，p为可靠性测试过程中包含的不同应力数，ncy,j为在应力j下的igbt器件的结温循环波动次数，nf,j为在应力j下igbt器件的循环次数；

为了使可靠性测试的总损伤与实际运行的总损伤相等，得到可靠性测评时间为：

在所加外部测试条件下，进行tsy时长的可靠性测试，若igbt器件的性能仍正常，则认为在寿命周期的总运行ttotal，igbt器件是可靠的。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明基于miner法则与等损伤因子原则针对igbt器件进行了可靠性测评建模，形成了igbt器件可靠性测评方案，大大提高了mmc换流阀用igbt器件可靠性评估的准确性。

(2)本发明提供的可靠性测试方法，可以考虑不同时间尺度循环作用的影响，根据等损伤原则，可考虑短时间尺度损伤与长时间尺度，设计igbt器件可靠性评测方案。

(3)本发明通过考虑igbt器件可靠性指标在不同外加测试条件下的变化规律，可获得不同外加测试应力对igbt器件可靠性的影响。通过控制可靠性测试电应力与温度应力可对可靠性测试时间进行控制。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为mmc换流阀用igbt器件可靠性测评方法流程图；

图2为mmc换流阀子模块拓扑图；

图3为不同时间尺度下igbt器件结温波动示意图；

图4为逆变工况下igbt结温示意图；

图5为逆变工况下igbt器件故障率和循环次数的示意图；

图6为逆变工况igbt器件运行30年的损伤示意图；

图7为逆变工况应力实验1h损伤因子示意图；

图8为1h逆变工况应力可靠性测评后igbt器件的损伤因子示意图；

图9为逆变工况应力igbt器件的可靠性测评时间示意图；

图10为1h可靠性测试后器件与组件的损伤因子示意图；

图11为逆变工况应力igbt器件可靠性测评时间示意图；

图12为1h逆变工况应力可靠性测试后igbt器件的损伤因子示意图；

图13为逆变工况应力igbt器件的可靠性测评时间示意图；

图14为逆变工况应力igbt器件的可靠性测评时间投影图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参阅图1～图14，图1为mmc换流阀用igbt器件可靠性测评方法流程图，如图1所示，一种基于mmc换流阀应用工况的igbt器件功率循环测评方法，针对具体算例包括以下步骤：

以厦门柔直工程采用的3.3kv/1500a焊接型igbt组件为例，其拓扑如图2所示，采用半桥结构，每个igbt组件主要由2个igbt模块(vt1、vd1、vt2、vd2)、电容器c等组成。按照厦门工程最严重运行条件进行额定负荷可靠性测试，考虑停运检修、故障停运等因素，从设备30年工作寿命考虑，按照平均每年4次停运来估计，即实际运行与可靠性测试中均涉及到两种循环，一是以工频为周期的短时间尺度波动，二是停运或可靠性测试开断引起的长时间尺度波动，示意图如图3。在分析实际运行与可靠性测试的损伤程度时，需分别计算并进行累积。

根据igbt器件的可靠性测试方案制定流程，分别计算长时间尺度与短时间尺度的igbt结温，得到两个时间尺度下的结温循环对应的故障率与循环次数nf，从而得到总运行时间30年的损伤与可靠性测试单位时间(1h)后器件的损伤因子，基于等损伤原则，获取在给定外加应力下所需的最短可靠性测试时间。

1)基于igbt和二极管的损耗模型，得到器件的导通损耗和开关损耗，建立igbt器件热网络模型，提取igbt器件和二极管的平均结温与结温波动幅值。

igbt和二极管的总损耗为：

igbt器件和二极管热容热阻值为：

igbt器件和二极管的平均结温为：

短时间尺度的结温波动是由运行过程中器件的开关引起的，周期是0.02s。长时间尺度上的结温波动是由于停运造成的，其结温波动为运行状态下的平均结温与停运状态下的平均温度间的波动，周期是1h。在分析总运行过程的结温时综合考虑四季影响，以逆变工况为例，igbt器件的结温如图4所示。

2)建立igbt器件故障率计算模型，结合结温计算结果，并获得器件故障率与循环次数。

依据fidesguide2009导则，建立mmc换流阀元件在i运行工况下故障率统一计算模型：

λcom,i＝(λ0th·πth,i+λ0tc·πtc,i)·πin·πpm·πpr

对于热应力因子和温度循环因子对应的元件基本故障率λ0th和λ0tc的取值，在分析焊接式igbt器件故障率时取导则给出值。

分析压接式igbt器件故障率时，热应力因子为：

温度循环因子为：

结合结温结果，可以得到逆变工况下，短时间尺度与长时间尺度下igbt器件在各个季节的故障率以及循环次数nf。计算结果分别如图5所示。

3)最后基于miner法则与等损伤原则对igbt器件进行可靠性测评建模，获取了不同外加测试条件下igbt可靠性指标的变化规律，形成可靠性测评方案。

在工况i下，igbt器件的结温循环周期为：

在工况i下，igbt器件的循环次数nf,i为：

总运行时间ttotal后igbt器件的损伤dsj为：

单位时间(外加测试条件的循环周期tcyc)可靠性测试后igbt器件的损伤因子为：

为了使可靠性测试的总损伤与实际运行的总损伤相等，可得可靠性测评时间为：

考虑总运行寿命30年后igbt器件的损伤与可靠性测评时间1h后igbt器件的损伤因子分布，如图6、图7所示。

在所加外部测试条件下，进行tsy时长的可靠性测试，若igbt器件的性能仍正常，则认为在寿命周期的总运行ttotal，igbt器件是可靠的。

基于上述算例分析，进一步研究在不同可靠性测评条件下igbt器件损伤因子、测评时间的变化规律，以实现更有效的可靠性测评方案。下面主要从长时间尺度的循环周期、电应力方面进行分析：

(1)可靠性测评应力循环周期的影响

1h可靠性测试后各器件的损伤因子的变化结果如图8所示。igbt器件所需可靠性测试时间随长时间尺度循环周期的变化结果如图9所示。

(2)可靠性测评电应力的影响

改变电压应力可改变igbt器件的损耗，进而影响结温和单次循环造成的损伤。1h可靠性测评后igbt器件的损伤因子与电压的关系如图10所示，其中u0是上述案例采用的电压参数。igbt器件所需可靠性测评时间随长时间尺度循环周期的变化结果如图11所示。

(3)循环周期与电应力的综合影响

综合考虑循环周期与电应力影响，1h可靠性测评后igbt器件的损伤因子如图12所示。igbt器件可靠性测评时间随长时间尺度循环周期与电压的变化结果如图13所示。不同外加测评应力下igbt器件可靠性测试时间的投影图，如图14所示。

由上可见，采用本发明提供的一种基于mmc换流阀应用工况的igbt器件功率循环测评方法，基于miner法则与等损伤因子原则针对igbt器进行了可靠性测评建模，获取了igbt器件的故障率等可靠性指标在不同外加测试条件下的变化规律，形成可靠性测评方案，大大提高了igbt器件可靠性评估的准确性。该测评方法可以考虑应用工况与不同时间尺度循环应力的影响，可广泛应用于mmc换流阀用igbt器件可靠性评估。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。