風電變流器中功率半導體器件可靠性評估及其改善措施的探究

王新澤

摘 要：功率半導體器件失效其原因主要是熱疲勞損傷，對功率器件可靠性進行評估，首先需要評估器件熱載荷，功率變流器設計功能滿足后需要關注其可靠性，通過性能提升使維護成本降低。本文就風電變流器中功率半導體器件可靠性評估及其改善措施的探究作簡要闡述。

關鍵詞：風電變流器 功率半導體 可靠性評估

中圖分類號：TM46 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2018）01（c）-0023-02

變流器可靠性提升在設計階段可以通過系統拓撲結構優化，或者是采用可靠性較高的元件，運行階段可以利用故障容錯技術，比如故障預警、狀態監測、冗余設計。其中故障預警與狀態監測能夠指導系統維護工作開展，降低維護工作成本。變流器可靠性提升要從各個方面采取措施，才能達成效果。

1 功率半導體器件可靠性分析

半導體器件在使用過程中，可靠性會受到多種因素影響，可以將其分為外部因素與內部因素，因此對其可靠性進行評估難度較大。對可靠性的標準定義是產品在使用時間內，在工作環境下其執行功能概率。可靠性概念中，關注環境與時間，如何解析器件失效機理，建立體現器件使用生命與環境之間的關系，對于器件可靠性預測工作有重要影響。

對器件可靠性預測，可以通過PoF故障物理模型達成目標，早期研究階段，電子設備價格低廉，模型構建復雜，因此此種分析方法并未能得到廣泛應用?？煽啃允謨酝ㄟ^對大量工業產品數據計算，分析方法得到了行業與政府的認可，其中較為有名的是美國國防部頒布可靠性手冊，并且在應用過程中，受到技術發展與環境變化、市場需求等方面因素的影響，可靠性手冊已經發展成為了不同的版本。但是從另一方面來分析，技術進步、市場需求變化、新材料應用使得對設備可靠性產生影響的因素越來越多，而可靠性手冊大多會存在一定假設性條件，因此在應用效果方面可能會存在缺陷。

2 半導體設備可靠性評估方法

2.1 基于故障概率統計功率半導體器件可靠性評估

此種評估方法需要對系統長期運行、故障率數據進行統計與分析，建立可靠性統計分析模型，研究周期長。有國外學者通過調查問卷方式對風力發電、光伏發電、工業等領域系統故障進行統計與分析，研究方法包括了數據整體統計、相關項統計，對不同的行業變流器組件進行可靠性分析。研究的結果表明了，在最容易失效的器件中，功率器件占據了較大比例。

2.2 利用可靠性手冊對半導體器件可靠性進行分析

如圖1所示，電子設備故障率通常會隨時使用時間變化而相應變化，可以利用浴盆曲線對其形象描述。該曲線包括了3個階段：早期失效、穩定失效期、損耗失效期等。早期失效主要是由于材料、設計、制造、安裝環節存在問題導致的。隨著工作時間的增加，故障出現的頻率會逐漸降低。而在穩定失效期，故障發生的頻率可以將其看作是穩定的，并且此階段持續的時間較長。損耗失效是設備在使用較長時間后，由于零件磨損老化導致的不可避免失效。對于設備器件可靠性研究主要是研究設備器件在穩定失效期內故障出現的頻率?？煽啃允謨酝ǔ＜僭O在穩定期，設備故障率是保持不變的，基于指數概率分布。利用可靠性手冊對器件可靠性進行分析，計算方法可以分為計數法與應力法。此種評估方法在光伏發電系統、普通開關電源、風電變流器中均有應用。

2.3 基于POF物理模型的可靠性分析

此模型能夠對故障誘因進行解析，應用于可靠性評估能夠將外部環境對器件的影響考慮其中。相關研究工作表明，利用此種模型對器件可靠性進行分析與評估，獲得的結果能夠確保較高的精確度。利用此種方式研究設備零件可靠性內容可以分為兩個方面：一是對器件的失效機理進行分析；二是構建模型。

以IGBT模塊為研究對象，此器件失效主要與器件工作過程受到應力作用相關，可能是受到偶然因素的影響，也可能是受到某些因素長期作用從而形成的必然性結果。前者主要包括了電應力與高溫。基于POF故障模型只能對某一形式下組件失效進行評估，而功率器件失效的形式多樣化，因此在對不同的失效形式進行評估的時候需要參考到不同的評估模型，評估工作開展工作量會增大，復雜程度也會增加。利用上述方法對器件可靠性進行評估，難以依據評估工作的結果對器件可靠性提升提出有效措施與針對性參考。

3 風電變流器功率半導體可靠性提升方法

3.1 基于功率平滑控制風電變流器可靠性改善

功率器件的熱載荷波動主要受隨機風速影響，隨機風速變化會使器件損耗風機輸出功率相應變化，導致其熱載荷出現波動，解決問題可以在直流側設置儲能裝置，或者對風力機槳距角進行控制，從而間接達成功率器件熱載荷降低目的。通過儲能裝置，利用裝置放電過程從而影響到熱載荷波動，通過對風力機槳距進行調節，使電網有功功率波動而改變。

3.2 基于外部散熱系統的功率半導體器件可靠性改善

以多層結構IGBT模塊為例，工作過程中硅芯片產生的熱量通過熱傳導方式散熱，對其過程產生重要影響的因素是芯片散熱器溫差。從導熱角度分析，對散熱器溫度調節使芯片熱量傳遞受到影響，最終影響熱載荷波動。通過構建冷卻控制系統對風扇轉速控制，達成散熱器散熱性能調節目標，工作過程中溫度高于設定溫度，風扇轉速增大，從而達到降溫效果。當工作溫度低于設定溫度，通過降低風扇轉速或停止風扇工作，并加熱功率模塊從而使溫度提升?？梢栽谏崞髋c功率模塊中間位置安裝制冷器，建立半導體制冷器，功率模塊散熱器電熱模型通過調節制冷器件電流對散熱量進行控制，從而使功率模塊熱載荷得以間接平滑。

3.3 功率損耗控制半導體器件可靠性提升

功率損耗與熱載荷之間存在密切關聯，因此通過影響器件損耗也能夠實現熱載荷波動平滑目標。器材損耗包括了開關損耗、導通損耗，開關損耗主要指的是在關段已開通階段，由于電壓與電流存在波動從而產生交疊區域而導致損耗。解決開關損耗，直觀方案是利用軟開關技術，但是該技術應用使硬件復雜程度增加，控制難度增大并且系統整體可靠性提升不確定。功率模塊熱損耗控制可以利用負載電流條件開關頻率調節等方法，方法雖然存在差異，但其基本思想是一致的，都是基于模糊控制理論。通過對變頻調速、電氣參數進行采樣，對結溫在線預測，對變流器電流與功率器件結溫進行控制。溫度大于設定值，對開關頻率進行調節，從而達到降溫效果。如果未能有效達成目標則需要降低系統輸出電流，對器件電流調節或控制無功功率，也能達成熱載荷波動減緩目標，但同時也會對變流器功率輸出造成影響。

4 結語

通過對風機系統故障統計結果研究，功率變流器是風扇發電的核心組件，同時也是失效組件。其原因主要是功率半導體封裝失效，而失效與半導體所處環境存在密切關聯。風電變流器應用于實際工作需要考慮的外部環境變化影響，并針對影響因素提出措施，從而使可靠性得到提升。設備可靠性提升為系統正常運行提供保障，風力發電發展前景十分廣闊，能夠為能源問題解決提供保障，因此需要保障其核心部件正常穩定工作。

參考文獻

[1] 李輝，季海婷，秦星，等.考慮運行功率變化影響的風電變流器可靠性評估[J].電力自動化設備，2015（5）：1-8.

[2] 杜雄，李高顯，孫鵬菊，等.考慮基頻結溫波動的風電變流器可靠性評估[J].電工技術學報，2015（10）：258-265.