风电变流器IGBT失效分析及其可靠性评估的研究

【摘要】：能源是人类赖以生存和发展的重要物质基础,但以化石燃料为代表的传统能源的大规模利用带来了两个日益突出的问题——能源危机和环境恶化,因此新能源的开发和利用引起了全球的关注和重视,特别是风力发电更是赚足了眼球,近年来得到了充分的发展。然而,复杂的工作环境对风力发电机组的工作提出严峻的挑战。风电变流器是风力发电系统的核心控制部件,也是最薄弱的环节之一,其可靠运行的挑战主要来源于随机变化的风速、巨大的昼夜温差、较高的湿度或风沙等。根据运行工况分析得知IGBT模块的失效是影响变流器可靠性的主要因素之一,因此对IGBT模块失效的分析研究就很有实际意义。影响IGBT模块失效的因素有很多,大体上可以分为与芯片有关的失效和与封装有关的失效,与芯片有关的失效可以归为保护的范畴,与封装有关的失效,即IGBT模块所承受的热应力及其波动是导致其失效的最主要因素之一,因此评估IGBT模块的热应力是评估其可靠性的先决条件。本论文主要工作如下:首先,本文对IGBT的基本结构和工作原理进行深入分析,然后在研究了IGBT的失效机理的基础之上,建立了IGBT模块的损耗及结温模型;其次,根据某2MW双馈风力发电机参数对其适配的变流器进行了主电路的设计,主要是对IGBT模块进行选型;最后,对本设计进行了可靠性校验,从而对风电变流器的设计和运行维护做出相应的参考。 【关键词】：风电变流器 IGBT 失效分析 可靠性
【学位授予单位】：上海电机学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM614;TM46
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-17
• 1.1 课题背景及意义10-12
• 1.2 课题国内外发展现状12-15
• 1.2.1 IGBT失效问题的研究现状12-14
• 1.2.2 IGBT可靠性评估的研究现状14-15
• 1.3 论文的主要内容15-17
• 第二章 IGBT的运行及失效模式分析17-28
• 2.1 IGBT运行原理17-21
• 2.1.1 IGBT的基本结构17-18
• 2.1.2 IGBT的工作原理18-19
• 2.1.3 IGBT的运行特性19-21
• 2.2 IGBT失效理论21-26
• 2.2.1 IGBT的失效因素21-24
• 2.2.2 IGBT的失效机理24-26
• 2.3 本章小结26-28
• 第三章 IGBT模块的损耗分析及结温计算28-43
• 3.1 IGBT模块功率损耗计算28-35
• 3.1.1 IGBT模块功率损耗计算原理28-32
• 3.1.2 IGBT模块开关周期损耗的计算32-35
• 3.2 IGBT模块热模型35-38
• 3.2.1 热传递过程分析35-36
• 3.2.2 等效热网络36-38
• 3.3 结温仿真模型建立及结果分析38-42
• 3.3.1 结温仿真模型的建立38-41
• 3.3.2 仿真结果41-42
• 3.4 本章小结42-43
• 第四章 双馈变流器IGBT选型及其结温仿真43-53
• 4.1 IGBT的选型43-49
• 4.1.1 机侧变流器IGBT模块的选型43-47
• 4.1.2 网侧变流器IGBT模块的选型47-49
• 4.2 双馈变流器的运行特性及结温仿真49-52
• 4.2.1 双馈变流器的运行特性49-50
• 4.2.2 双馈变流器IGBT模块的结温50-52
• 4.3 本章小结52-53
• 第五章 双馈变流器IGBT模块的可靠性校验53-60
• 5.1 IGBT模块可靠性评估的方法53-54
• 5.2 IGBT模块的寿命模型54-57
• 5.3 IGBT模块的疲劳损伤模型57-59
• 5.4 本章小结59-60
• 第六章 总结与展望60-62
• 6.1 总结60-61
• 6.2 展望61-62
• 参考文献62-67
• 致谢67-68
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果68

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