浅谈风电变流器中IGBT的可靠性研究

浅谈风电变流器中IGBT的可靠性研究

王磊

（南瑞集团公司（国网电力科学研究院）国电南瑞科技股份有限公司江苏南京210000）

摘要：风能作为清洁无污染的可再生能源，目前储存量相当可观，受到了全球的瞩目关注，风力发电也得到了广泛的应用和长足的发展。风电变流器作为连接风力发电机组和电网的关键部件，既要控制风力发电机组的运行，又要控制输向电网的电能质量，且运行环境恶劣，是风力发电机组的高故障率的部件之一，而IGBT又是风电变流器中故障率最高的部件，因此对其可靠性的研究非常有必要。基于此，本文分析了风电变流器中IGBT的可靠性。

关键词：风电变流器；IGBT；可靠性

1、IGBT概述

绝缘栅双极晶体管（IGBT）本质上是一个场效应晶体管，只是在漏极和漏区之间多了一个P型层，可以将其看成是一种复合型器件，复合元件为金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）和双极结型晶体管（BJT），因此IGBT综合了MOSFET的驱动功率小和开关速度快以及BJT的耐高压和通流能力强等优点，具有优良的特性，在大功率变换器的使用中有很大的优势。

IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor）是风电变流器中电能变换的主功率开关器件，IGBT工作时导通电流和阻断电压都很大，在稳定导通状态和开关瞬态过程中将产生很大通态损耗和开关损耗，从而导致内部芯片温度升高同时将热量向外部发散。大功率IGBT一般都是采用模块的封装结构，其芯片焊接或压接在铜基板上，再通过焊料层、DBC陶瓷层等多层结构，最后焊接或压接在外壳底板上。IGBT产生的功耗主要通过传导垂直向下传递，最后被安装在底板下的散热装置带走，从而在芯片与底板间由高到低形成一定的温度梯度分布。

2、影响IGBT可靠性的主要因素

2.1、热循环的影响

IGBT通常是工作于PWM调制的脉冲方式下，IGBT结温逐步上升，当IGBT产生的热量和散热装置带走的热量达到了热平衡后，IGBT结温将围绕一定温度做小幅波动。当IGBT停止工作，或是负载发生较大变化时，这种热平衡都将被打破，模块各层温度也将发生变化，直至进入新的平衡工作点。同时，IGBT器件在工作时存在开关及导通损耗，器件会发热，温度升高。在另半周期内，模块处于续流状态，二极管工作，而IGBT处于阻断状态，损耗很小，IGBT芯片温度下降。因此，在工作中IGBT芯片的温度不停变化。由于温度循环变化，而模块中各种材料的膨胀系数又不相同，因此器件内部存在热应力作用。该应力持续反复作用，最终导致模块失效，如铝导线断裂、焊层开裂等。对于某种模块，在相同环境温度下，温差波动越大，模块能承受的循环次数越小；在相同温差波动下，温度越高，模块能承受的循环次数越小。

2.2、冷却系统对IGBT可靠性的影响

在IGBT的实际应用中，器件会承受各种各样的温度变化，这其中，有一部分是由于器件自身工作时的开关损耗和导通损耗产生的热量而引起；还有一些是由于外部条件的变化而引起，比如冷却系统的温度变化等。这些因素引起器件的温度变化，温差可达100度以上，持续时间从几毫秒到几个月。这样大大小小的温度变化大量存在，日积月累，能产生显著的影响。

2.3、阻断状态下IGBT的可靠性

功率器件处于阻断状态时，在电场的作用下，会产生漏电流，同一器件在相同电压下，温度越高，漏电流通常越大。较大的漏电流，在电压一定的情况下，将产生更多的热量，促使器件温度升高。此种情况必须要在器件温度到达可以承受的最高温度前达到平衡，否则，器件会在这样相互促进的恶性循环中损坏。

3、风电变流器中IGBT的可靠性评估方法

3.1、基于可靠性手册的器件可靠性

电力电子功率器件的故障率通常可以用浴盆曲线来描述。浴盆曲线一般包括3个阶段，即早期失效期(I)、稳定失效期(II)和损耗失效期(III)。早期失效期一般是由于设计、材料、制造和安装过程中的缺陷造成的，其故障率随着工作时间的增加而迅速降低。稳定失效期的故障率一般看作是恒定的，稳定失效期较长。损耗失效期是组件工作很长时间后，因老化磨损等因素发生的不可控失效。

电力电子功率器件可靠性评估一般是研究稳定失效期中器件的可靠性。功率器件可靠性手册具有很多版本，包括MIL-HDBK-217、IEC-TR-62380和FIDESGuide等。文中以MIL-HDBK-217可靠性手册为例，阐述功率器件的可靠性评估方法。MIL-HDBK-217可靠性评估手册是基于指数概率分布，建立组件恒故障率模型。功率器件的可靠性可用多种可靠性指标来表征，例如可用度函数R(t)和失效率λIGBTs等，器件的可用度R(t)计算方程为：

（1）

基于MIL-HDBK-217F可靠性手册的半导体器件可靠性评估方法，根据失效率计算方式的不同，包括部分应力法和组件计数法，以部分应力法为例，IGBT和二极管的失效率λIGBT和λDiode的计算方程为：

（2）

（3）

式中：λb(IGBT)和λb(Diode)是IGBT和二极管的基本失效率；πQ是品质因子；πE是环境因子；πA是应用因子；πC是接触结构因子；πS是应力因子；πT是温度因子，影响因子的计算方法可参照文献。

从系统可靠性的角度，功率器件系统一般可以被认为是串联型的不可修复系统，而IGBT模块包括IGBT和反并联晶体二极管(Diode)芯片，IGBT模块系统的失效率λIGBTs计算方程为：

（4）

功率器件的故障率在稳定失效期一般不是恒定的，是随时间变化的，因此它并不满足恒故障率模型的基本条件。基于大多数可靠性手册的评估方法一般适用于评估与半导体器件偶然性失效有关的失效形式，而大功率器件失效主要因封装失效而引起，因此该方法并不适用于评估大功率器件的可靠性。

2.2、不同时间尺度的风电变流器功率模块可靠性

针对结温波动的不同时间尺度，可靠性评估流程主要有如下三个部分:

(1)风场信息、变流器设计信息等相关数据的收集。这部分数据主要分为三个部分:风场风速、气温数据以及与风机运行相关的切入、额定、切除风速等；变流器的设计参数；FIDES手册所查询的可靠性参数。

(2)编程计算长时间尺度下变流器的故障率:首先，以不同时间间隔对实测风速进行采样，保留同一采样时间下的气温数据。对采样风速进行二维状态划分，计算每个状态S(i，j)下的持续时间t(i，j);然后，计算功率模块的结温-时间载荷历程曲线，采用雨流法将随机载荷转化为横幅载荷。求出每个状态下的结温均值、幅值、次数和循环持续时间。

(3)编程计算短时间尺度下结温波动对变流器故障率的影响:首先，将一年内的风速按大小分为Nv份，并搭建结温仿真模型，统计不同风速下功率模块的结温平均值和结温波动幅值。

最终，根据Miner线性疲劳累积模型，将长时间尺度下的故障率和短时间尺度下的故障率相加，即可得变流器功率模块最终的故障率评估结果。

总之，目前风力发电发展非常迅速，可提供越来越多的清洁能源。对于风电机组中变流器的可靠性研究，可以使得变流器在设计初期，较为准确的对其可靠性进行预估，为变流器相关参数的确定和功率器件的选型提供有力支持，因此进一步加强对其的研究非常有必要。

参考文献

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[3]余勇，陈小刚，张显立，吴玉杨.风机变流器中IGBT驱动窄脉冲的影响与限制[J].电力电子技术，2013，05:40-42。