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

本发明专利技术涉及一种基于MMC换流阀应用工况的IGBT器件功率循环测评方法，属于高压直流输电技术领域。该方法包括：首先，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；其次，考虑MMC换流阀运行工况，提出器件故障率计算模型，获取器件故障率及循环次数；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，获取不同外加测试条件下IGBT器件可靠性指标的变化规律，形成可靠性测评方案。本发明专利技术形成了IGBT器件可靠性测评方法，对准确评估MMC换流阀用IGBT器件可靠性具有重要意义。

A Power Cycle Assessment Method for IGBT Devices Based on MMC Converter Valve Working Conditions

【技术实现步骤摘要】
一种基于MMC换流阀应用工况的IGBT器件功率循环测评方法
本专利技术属于高压直流输电
，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。
技术介绍
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，本专利技术提出一种基于MMC换流阀应用工况的IGBT器件功率循环测评方法。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术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，本专利技术提供如下技术方案：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。本专利技术的有益效果在于：(1)本专利技术基于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)本专利技术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)本专利技术通过考虑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。本专利技术的其他优点、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，或者可以从本专利技术的实践中得到教导。本专利技术的目标和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于MMC换流阀应用工况的IGBT器件功率循环测评方法，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一种基于MMC换流阀应用工况的IGBT器件功率循环测评方法，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的一种基于MMC换流阀应用工况的IGBT器件功率循环测评方法，其特征在于，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，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。3.根据权利要求2所述的一种基于MMC换流阀应用工况的IGBT器件功率循环测评方法，其特征在于，步骤S2中，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：李辉，王晓，姚然，龙海洋，郑媚媚，李金元，赖伟，何蓓，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50