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IGBT的可靠性模型研究

陈永淑  
【摘要】: 开发和利用清洁的风能是我国解决能源和环保问题的重要战略举措之一,但这一进程的落实和规模发展受到风电中变流装置可靠性低的制约。由于风电固有的功率波动,导致功率器件持续经受热冲击,加剧了器件的老化失效进程,成为风电并网变流装置可靠性问题的关键性因素之一,因此,功率器件的可靠性评估是并网装置可靠性评估的基础。目前对功率器件在热冲击下的性能劣化和可靠性衰退的机理研究较少,对失效进程的认识和把握不足,缺少能表征器件失效进程的特征量;对功率器件及并网变流装置的离线概率可靠性评估也因器件基础可靠性指标(如平均寿命、老化失效率、不可用率)的缺失,其深入开展受到限制。因此,围绕功率器件(以风电并网变流装置中常用的IGBT为对象)的可靠性在线检测、可靠性概率的离线评估,论文的主要工作及结果如下: ①推导总结了禁带宽度、本征载流子浓度、载流子寿命、载流子迁移率及双核扩散系数等物理参数的温度特性,建立了IGBT器件物理参数与电气参数间的对应关系,在此基础上,详细分析了IGBT开关速度减慢、通态压降、漏电流恶化,阈值电压突变、以及发生擎住效应等电气现象的物理机理,为分析其老化机理及动态模型奠定了基础。 ②结合解析模型和子电路模型的优点,改进了IGBT的PSPICE动态电气模型,在模型中用二极管的结电容表征IGBT内部的压控寄生电容,用IGBT数据手册与测量电路相结合的方式提取了模型参数,仿真与实验结果的对比验证了模型的正确性。用建立的模型分析器件外特性对IGBT模型参数变化的敏感程度,明确了器件经受热冲击过程中能显著影响器件动态波形的主导参数; ③深入分析平稳工况下IGBT的动态特性,采用未塑封的2MBI150U4H-170型IGBT,实验模拟了器件在非平稳工况下键合线剥落后器件动态波形的变化;分析了两种工况下器件动态特性差异的可能原因,在此基础上,提出将栅极电压米勒平台的退化程度作为器件的可靠性状态的一个划分依据,并以此为基础建立了IGBT器件的可靠性模型; ④从器件可靠性的基础参数——寿命着手,建立了IGBT的老化失效风险的概率评估模型,用来计算老化失效数据有限的情况下IGBT的平均寿命、老化失效概率和因老化引起的不可用率,改进设计阶段器件可靠性的评价手段。该模型由IGBT老化失效概率的正态分布特性推导而来,正态分布的参数采用最小二乘法估计。与传统的样本均值方法相比,设计的参数估计方法不仅考虑了已退役的器件,还考虑了仍在服役的器件对平均寿命估计的影响,从理论上提高了参数估计结果的合理性。 论文在IGBT器件失效机理分析动态电气模型及参数提取、可靠性建模及离线可靠性的概率评估等方面进行了一些探索性研究,为风力发电中电力电子装置可靠性的评估及寿命预测打下一定基础。


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