一种基于MMC工况器件级劣化的IGBT可靠性分析方法与流程

本发明属于柔性直流输电
技术领域：
，具体涉及一种基于mmc工况器件级劣化的igbt可靠性分析方法。
背景技术：
：广泛应用于柔性直流输电技术(voltagesourcedconverterbasedhighvoltagedirectcurrent,vsc-hvdc)中的模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter，mmc)以其交流侧谐波量少、高效率和模块化设计便于维护等优点被广泛使用。绝缘栅双极型晶体管(insulatedgatebipolartransistor，igbt)作为mmc中的重要开关器件，可靠性和使用寿命涉及到mmc子模块失效以及维护。模块化设计使igbt更换容易但成本较高，对mmc的可靠性影响较大，因此需要对mmc工况下的igbt进行寿命、失效率和可靠性的评估。根据igbt的封装形式的不同可分为焊接型和压接型igbt。焊接型igbt为多层结构，其失效来源主要是过热产生的蠕变能量造成的键合引线脱落和焊料层疲劳，不同焊料层之间的热膨胀系数不均匀会导致在负载时应力集中于焊料接合处。压接型igbt较于焊接型更加稳定，主要故障来自于压接弹簧失效。目前由于焊接型igbt失效现象较为明显，对其失效模式的研究较多。在寿命预测上已有研究从焊料层疲劳的角度针对igbt热阻随功率循环非线性变化展开了一些研究，从物理失效机理的角度得到热阻的变化并提出在变热阻情况下的寿命预测方法，然而在可靠性分析上无论失效率为常数的指数分布还是基于蒙特卡洛拟合的威布尔分布均不能直接体现器件劣化的过程。技术实现要素：本发明的目的在于针对上述
背景技术：
中关于器件劣化可靠性分析的不足，提供了一种基于mmc工况器件级劣化的igbt可靠性分析方法，通过使用线性疲劳累积损伤理论提取的数据得到与劣化直接相关的时变失效率。本发明采用如下技术方案来实现的：一种基于mmc工况器件级劣化的igbt可靠性分析方法，，包括以下步骤：(1)根据mmc系统参数分析mmc子模块电流应力，代入到数据手册拟合后的igbt损耗曲线得到通态损耗和开关损耗，根据igbt数据手册所提供的热阻结合损耗得到器件的结温；(2)根据igbt寿命预测公式处理mmc工况数据，使用雨流计数算法将无序的全年工况数据转换为多个含有幅值和均值的周期，得到代入寿命预测公式的周期、幅值和均值；(3)结合步骤(1)、(2)以及线性疲劳累积损伤理论得到在这种工况下的单周期和全年损伤量；(4)针对igbt随时间劣化的其中一种特性，根据损伤随时间的非线性变化按劣化时间点计算寿命，再代入至指数分布下寿命和可靠性的关系式得到服从指数分布的可靠性以及失效率；(5)结合步骤(4)对所得失效率进行多项式拟合，对比拟合后的可靠性与分段式可靠性验证拟合的有效性。本发明进一步的改进在于，步骤(1)中，由mmc工作原理可知，当半桥型子模块mmc三相对称运行时，上下桥臂电流分别为式中，ip、in分别为单相上下桥臂电流，idc为直流侧电流，ω为基波角频率，为mmc交流侧功率因数角，im为单相电流峰值；对所选择的igbt手册中的损耗曲线拟合，可得损耗功率以及结温之间的关系：tj＝pt×rth+ta式中，pt为单器件总损耗，ta和tj分别为环境温度和结温。本发明进一步的改进在于，步骤(2)中，将幅值δtj和均值tm结合并采用norris-landzberg公式：式中，nf为寿命，a、α、β为参数，ea和k为活化能和玻尔兹曼常数。本发明进一步的改进在于，步骤(4)中，基于恒定失效率将步骤(3)所得不同服役时间点下的损伤量转换为寿命和失效率：lidi＝1li1＝ti-ti-1,t0＝0式中，li为[0,ti]时间内的总损伤为di时寿命预测值，li1为[ti-1,ti]时间内的阶段损伤为di1时所需的时间，λi为这种情况下的失效率；将igbt的其中一个物理特性随时间劣化的过程分成多个阶段，分段计算指数分布下的每个阶段的可靠性以及失效率：rp(t)＝e-λiti＝1,...,n式中，rp(t)和λi(t)为分阶段计算时igbt的可靠性和失效率，n为阶段数，[tn-1,tn]为处于失效率为λn下的时间段。本发明进一步的改进在于，步骤(5)中，使用多项式拟合步骤(4)中所得失效率，对比拟合后的与分阶段时的可靠性，保证拟合结果在igbt服役时间内的有效性：λ(t)＝at2+bt+c式中，a,b,c为拟合参数，r(t)为拟合后的igbt可靠性。本发明至少具有如下有益的技术效果：本发明针对mmc具体工况，结合mmc功率、环境温度与子模块中igbt结温的关系处理相关任务剖面数据，得到该工况下的年度损伤量，然后针对igbt随循环次数增加当前总损伤非线性增长这一特征，在可靠性服从指数分布下对igbt劣化过程进行分段式可靠性分析。首先，本发明根据mmc具体工况结合功率结温之间的数学关系得到相关年度任务剖面，代入至寿命预测公式得到每次循环不同的寿命，根据线性疲劳累积损伤理论累加得到总全年损伤量。针对不同型号igbt可根据寿命预测公式的参数进行调整，这种分析过程在得到mmc运行工况以及igbt具体型号时对损伤以及寿命的预测更为精确。其次，由于可靠性研究中的失效率和寿命预测所得到的参数不能直接等效，本发明使用可靠性指数分布这一特殊形式，在一定条件下失效率和损伤量可以等效。为了保证igbt劣化的过程可以体现在失效率升高这一过程中，根据循环次数针对当前总损伤量以及时间分段式计算igbt失效率，当单次循环损伤量随次数增加逐渐增加时，当前总损伤量非线性递增，失效率随之递增。这种可靠性分析过程可用于涉及损伤和寿命预测的研究中，以及不同失效来源的分析。综上所述，本发明不仅可用于mmc不同工况下igbt的可靠性分析，还可用于涉及长时间任务剖面的其他电力电子器件的可靠性分析。针对劣化这一现象改进可靠性指数分布，相较于大样本模拟可更为精确的在失效率上体现器件的随服役时间增加加速劣化的过程，可为系统中器件定期维护提供一定参考。附图说明图1为半桥型子模块mmc的结构示意图；图2交流侧仿真电流波形；图3为mmc上桥臂电流波形；图4为结合温度和功率工况的任务剖面，其中图4(a)为子模块上半部分的igbt1的结温年度任务剖面，图4(b)为子模块下半部分的igbt2的结温年度任务剖面；图5为对任务剖面使用雨流计数算法处理后的应力分布，其中图5(a)为t1应力分布，图5(b)为t2应力分布；图6为t2单次损伤量以及失效率随时间的变化；图7为t2分段式计算和拟合后的可靠性，其中图7(a)为寿命预测时间范围内的可靠性下降曲线图，图7(b)为放大后拟合对比图；图8为本发明一种基于mmc工况器件级劣化的igbt可靠性分析方法的流程图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。如图8所示，本发明提供的一种基于mmc工况器件级劣化的igbt可靠性分析方法，包括以下步骤：(1)根据mmc系统参数分析mmc子模块电流应力，损耗和igbt结温的关系：由mmc工作原理可知，当半桥型子模块mmc三相对称运行时，上下桥臂电流分别为式中，ip、in分别为单相上下桥臂电流，idc为直流侧电流,ω为基波角频率，为mmc交流侧功率因数角。im为单相电流峰值，其稳态运行波形如图2所示。为了评估开关器件的热应力，需要对h1、h2中的t1、d1、t2和d2分别计算。当桥臂电流在(α1,α2)内正向流动如图3所示时，电流流过d1或t2，反向流动则反之。对所选择的igbt手册中的损耗曲线拟合，可得损耗功率以及结温之间的关系：tj＝pt×rth+ta式中，pt为单器件总损耗，ta和tj分别为环境温度和结温。(2)根据igbt寿命预测公式处理mmc工况数据，为了更为精确在功率循环中预测寿命，目前igbt寿命预测多为幅值δtj和均值tm结合如norris-landzberg公式：式中，nf为寿命，a、α、β为参数，ea和k为活化能和玻尔兹曼常数。因此，为了处理t1、t2年度任务剖面，需要使用雨流计数算法将无序数据点周期化。(3)结合步骤(1)、(2)以及线性疲劳累积损伤理论得到在这种工况下的全年损伤量。(4)针对igbt随时间劣化的其中一种特性，根据损伤随时间的非线性变化按劣化时间点计算寿命、服从指数分布的可靠性以及失效率，记录每个阶段年度剖面损伤量变化时所需的时间以及损伤。基于恒定失效率将步骤(3)所得不同服役时间点下的损伤量转换为寿命和失效率：lidi＝1li1＝ti-ti-1,t0＝0式中，li为[0,ti]时间内的总损伤为di时寿命预测值，li1为[ti-1,ti]时间内的阶段损伤为di1时所需的时间，λi为这种情况下的失效率。将igbt的其中一个物理特性随时间劣化的过程分成多个阶段，分段计算指数分布下的每个阶段的可靠性以及失效率：rp(t)＝e-λiti＝1,...,n式中，rp(t)和λi(t)为分阶段计算时igbt的可靠性和失效率，n为阶段数，[tn-1,tn]为处于失效率为λn下的时间段。(5)结合步骤(4)对所得失效率进行多项式拟合，对比拟合后的可靠性与分段式可靠性验证拟合的有效性：λ(t)＝at2+bt+c式中，a,b,c为拟合参数，r(t)为拟合后的igbt可靠性。实施例：以张北工程丰宁站232模块mmc为例，系统相关参数如表1所示，所使用半桥型子模块mmc如图1所示。表1mmc系统主参数第一步，根据表1系统主参数分析子模块中器件电流结温应力，在matlab中搭建仿真平台，得到图2所示稳态运行时单相电流峰值以及图3所示的桥臂电流。第二步，根据norris-landzberg寿命预测公式使用雨流计数算法处理图4所示的mmc工况数据，得到图5所示的子模块中t1、t2的全年应力分布，可看出在这种工况下t1平均温度较低温升小而t2幅值较大平均温度较高的情况比较多，t2相较于t1更容易老化失效。第三步，结合前两步的分析结果，得到基于这种工况下的全年损伤量。第四步，为了分析igbt随时间劣化的其中一种特性，使用热网络更新的方法假设焊料层的疲劳累积过程。以传统热阻上升20％视为igbt失效为例，损伤量每增加20％热网络中热阻升高4％，根据损伤随时间的变化分段计算失效率如图6所示，记录表2所示的每个阶段年度剖面损伤量变化时所需的时间以及损伤，其中dt1、dd1、dt2、dd2为总损伤为1时t1、d1、t2、d2的单次损伤量，li1为以年为单位损伤间隔所需的服役时间。表2igbt模块器件损伤和时间元器件/损伤0-20％20％-40％40％-60％60％-80％80％-100％dt10.0005350.0005430.0005510.0005610.00057t1li1373.832368.324362.976356.506350.877dd10.0002750.0002790.0002850.000290.000294d1li1727.273716.846701.754689.655680.272dt20.0444010.0457630.0471600.0485870.050060t2li14.504404.370344.240884.116333.99521dd20.0105260.0109690.0114300.0119230.012388d2li119.000618.233217.497816.774316.1446第五步，对所得失效率进行多项式拟合，以这种工况下最易失效的t2为例，得到图7对比拟合后的可靠性与分段式可靠性验证拟合的有效性。其中，rp为分段计算下的可靠性，r为拟合后的可靠性，re为不考虑器件随服役时间增加而劣化的可靠性。可以看出在考虑器件劣化的情况下可靠性相较于传统失效率恒定的情况随服役时间加速下降，随着循环次数增加igbt实际热阻增速越来越快时差距则会更为明显。当前第1页12