王新澤

摘 要：功率半導(dǎo)體器件失效其原因主要是熱疲勞損傷，對(duì)功率器件可靠性進(jìn)行評(píng)估，首先需要評(píng)估器件熱載荷，功率變流器設(shè)計(jì)功能滿(mǎn)足后需要關(guān)注其可靠性，通過(guò)性能提升使維護(hù)成本降低。本文就風(fēng)電變流器中功率半導(dǎo)體器件可靠性評(píng)估及其改善措施的探究作簡(jiǎn)要闡述。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電變流器 功率半導(dǎo)體 可靠性評(píng)估

中圖分類(lèi)號(hào)：TM46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2018）01（c）-0023-02

變流器可靠性提升在設(shè)計(jì)階段可以通過(guò)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化，或者是采用可靠性較高的元件，運(yùn)行階段可以利用故障容錯(cuò)技術(shù)，比如故障預(yù)警、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、冗余設(shè)計(jì)。其中故障預(yù)警與狀態(tài)監(jiān)測(cè)能夠指導(dǎo)系統(tǒng)維護(hù)工作開(kāi)展，降低維護(hù)工作成本。變流器可靠性提升要從各個(gè)方面采取措施，才能達(dá)成效果。

1 功率半導(dǎo)體器件可靠性分析

半導(dǎo)體器件在使用過(guò)程中，可靠性會(huì)受到多種因素影響，可以將其分為外部因素與內(nèi)部因素，因此對(duì)其可靠性進(jìn)行評(píng)估難度較大。對(duì)可靠性的標(biāo)準(zhǔn)定義是產(chǎn)品在使用時(shí)間內(nèi)，在工作環(huán)境下其執(zhí)行功能概率?？煽啃愿拍钪校P(guān)注環(huán)境與時(shí)間，如何解析器件失效機(jī)理，建立體現(xiàn)器件使用生命與環(huán)境之間的關(guān)系，對(duì)于器件可靠性預(yù)測(cè)工作有重要影響。

對(duì)器件可靠性預(yù)測(cè)，可以通過(guò)PoF故障物理模型達(dá)成目標(biāo)，早期研究階段，電子設(shè)備價(jià)格低廉，模型構(gòu)建復(fù)雜，因此此種分析方法并未能得到廣泛應(yīng)用?？煽啃允謨?cè)通過(guò)對(duì)大量工業(yè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)計(jì)算，分析方法得到了行業(yè)與政府的認(rèn)可，其中較為有名的是美國(guó)國(guó)防部頒布可靠性手冊(cè)，并且在應(yīng)用過(guò)程中，受到技術(shù)發(fā)展與環(huán)境變化、市場(chǎng)需求等方面因素的影響，可靠性手冊(cè)已經(jīng)發(fā)展成為了不同的版本。但是從另一方面來(lái)分析，技術(shù)進(jìn)步、市場(chǎng)需求變化、新材料應(yīng)用使得對(duì)設(shè)備可靠性產(chǎn)生影響的因素越來(lái)越多，而可靠性手冊(cè)大多會(huì)存在一定假設(shè)性條件，因此在應(yīng)用效果方面可能會(huì)存在缺陷。

2 半導(dǎo)體設(shè)備可靠性評(píng)估方法

2.1 基于故障概率統(tǒng)計(jì)功率半導(dǎo)體器件可靠性評(píng)估

此種評(píng)估方法需要對(duì)系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行、故障率數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，建立可靠性統(tǒng)計(jì)分析模型，研究周期長(zhǎng)。有國(guó)外學(xué)者通過(guò)調(diào)查問(wèn)卷方式對(duì)風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、工業(yè)等領(lǐng)域系統(tǒng)故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，研究方法包括了數(shù)據(jù)整體統(tǒng)計(jì)、相關(guān)項(xiàng)統(tǒng)計(jì)，對(duì)不同的行業(yè)變流器組件進(jìn)行可靠性分析。研究的結(jié)果表明了，在最容易失效的器件中，功率器件占據(jù)了較大比例。

2.2 利用可靠性手冊(cè)對(duì)半導(dǎo)體器件可靠性進(jìn)行分析

如圖1所示，電子設(shè)備故障率通常會(huì)隨時(shí)使用時(shí)間變化而相應(yīng)變化，可以利用浴盆曲線(xiàn)對(duì)其形象描述。該曲線(xiàn)包括了3個(gè)階段：早期失效、穩(wěn)定失效期、損耗失效期等。早期失效主要是由于材料、設(shè)計(jì)、制造、安裝環(huán)節(jié)存在問(wèn)題導(dǎo)致的。隨著工作時(shí)間的增加，故障出現(xiàn)的頻率會(huì)逐漸降低。而在穩(wěn)定失效期，故障發(fā)生的頻率可以將其看作是穩(wěn)定的，并且此階段持續(xù)的時(shí)間較長(zhǎng)。損耗失效是設(shè)備在使用較長(zhǎng)時(shí)間后，由于零件磨損老化導(dǎo)致的不可避免失效。對(duì)于設(shè)備器件可靠性研究主要是研究設(shè)備器件在穩(wěn)定失效期內(nèi)故障出現(xiàn)的頻率。可靠性手冊(cè)通常假設(shè)在穩(wěn)定期，設(shè)備故障率是保持不變的，基于指數(shù)概率分布。利用可靠性手冊(cè)對(duì)器件可靠性進(jìn)行分析，計(jì)算方法可以分為計(jì)數(shù)法與應(yīng)力法。此種評(píng)估方法在光伏發(fā)電系統(tǒng)、普通開(kāi)關(guān)電源、風(fēng)電變流器中均有應(yīng)用。

2.3 基于POF物理模型的可靠性分析

此模型能夠?qū)收险T因進(jìn)行解析，應(yīng)用于可靠性評(píng)估能夠?qū)⑼獠凯h(huán)境對(duì)器件的影響考慮其中。相關(guān)研究工作表明，利用此種模型對(duì)器件可靠性進(jìn)行分析與評(píng)估，獲得的結(jié)果能夠確保較高的精確度。利用此種方式研究設(shè)備零件可靠性?xún)?nèi)容可以分為兩個(gè)方面：一是對(duì)器件的失效機(jī)理進(jìn)行分析；二是構(gòu)建模型。

以IGBT模塊為研究對(duì)象，此器件失效主要與器件工作過(guò)程受到應(yīng)力作用相關(guān)，可能是受到偶然因素的影響，也可能是受到某些因素長(zhǎng)期作用從而形成的必然性結(jié)果。前者主要包括了電應(yīng)力與高溫?；赑OF故障模型只能對(duì)某一形式下組件失效進(jìn)行評(píng)估，而功率器件失效的形式多樣化，因此在對(duì)不同的失效形式進(jìn)行評(píng)估的時(shí)候需要參考到不同的評(píng)估模型，評(píng)估工作開(kāi)展工作量會(huì)增大，復(fù)雜程度也會(huì)增加。利用上述方法對(duì)器件可靠性進(jìn)行評(píng)估，難以依據(jù)評(píng)估工作的結(jié)果對(duì)器件可靠性提升提出有效措施與針對(duì)性參考。

3 風(fēng)電變流器功率半導(dǎo)體可靠性提升方法

3.1 基于功率平滑控制風(fēng)電變流器可靠性改善

功率器件的熱載荷波動(dòng)主要受隨機(jī)風(fēng)速影響，隨機(jī)風(fēng)速變化會(huì)使器件損耗風(fēng)機(jī)輸出功率相應(yīng)變化，導(dǎo)致其熱載荷出現(xiàn)波動(dòng)，解決問(wèn)題可以在直流側(cè)設(shè)置儲(chǔ)能裝置，或者對(duì)風(fēng)力機(jī)槳距角進(jìn)行控制，從而間接達(dá)成功率器件熱載荷降低目的。通過(guò)儲(chǔ)能裝置，利用裝置放電過(guò)程從而影響到熱載荷波動(dòng)，通過(guò)對(duì)風(fēng)力機(jī)槳距進(jìn)行調(diào)節(jié)，使電網(wǎng)有功功率波動(dòng)而改變。

3.2 基于外部散熱系統(tǒng)的功率半導(dǎo)體器件可靠性改善

以多層結(jié)構(gòu)IGBT模塊為例，工作過(guò)程中硅芯片產(chǎn)生的熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)方式散熱，對(duì)其過(guò)程產(chǎn)生重要影響的因素是芯片散熱器溫差。從導(dǎo)熱角度分析，對(duì)散熱器溫度調(diào)節(jié)使芯片熱量傳遞受到影響，最終影響熱載荷波動(dòng)。通過(guò)構(gòu)建冷卻控制系統(tǒng)對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制，達(dá)成散熱器散熱性能調(diào)節(jié)目標(biāo)，工作過(guò)程中溫度高于設(shè)定溫度，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速增大，從而達(dá)到降溫效果。當(dāng)工作溫度低于設(shè)定溫度，通過(guò)降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速或停止風(fēng)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(dǎo)體制冷器，功率模塊散熱器電熱模型通過(guò)調(diào)節(jié)制冷器件電流對(duì)散熱量進(jìn)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(dǎo)體器件可靠性提升

功率損耗與熱載荷之間存在密切關(guān)聯(lián)，因此通過(guò)影響器件損耗也能夠?qū)崿F(xiàn)熱載荷波動(dòng)平滑目標(biāo)。器材損耗包括了開(kāi)關(guān)損耗、導(dǎo)通損耗，開(kāi)關(guān)損耗主要指的是在關(guān)段已開(kāi)通階段，由于電壓與電流存在波動(dòng)從而產(chǎn)生交疊區(qū)域而導(dǎo)致?lián)p耗。解決開(kāi)關(guān)損耗，直觀方案是利用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，但是該技術(shù)應(yīng)用使硬件復(fù)雜程度增加，控制難度增大并且系統(tǒng)整體可靠性提升不確定。功率模塊熱損耗控制可以利用負(fù)載電流條件開(kāi)關(guān)頻率調(diào)節(jié)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(guò)對(duì)變頻調(diào)速、電氣參數(shù)進(jìn)行采樣，對(duì)結(jié)溫在線(xiàn)預(yù)測(cè)，對(duì)變流器電流與功率器件結(jié)溫進(jìn)行控制。溫度大于設(shè)定值，對(duì)開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到降溫效果。如果未能有效達(dá)成目標(biāo)則需要降低系統(tǒng)輸出電流，對(duì)器件電流調(diào)節(jié)或控制無(wú)功功率，也能達(dá)成熱載荷波動(dòng)減緩目標(biāo)，但同時(shí)也會(huì)對(duì)變流器功率輸出造成影響。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)故障統(tǒng)計(jì)結(jié)果研究，功率變流器是風(fēng)扇發(fā)電的核心組件，同時(shí)也是失效組件。其原因主要是功率半導(dǎo)體封裝失效，而失效與半導(dǎo)體所處環(huán)境存在密切關(guān)聯(lián)。風(fēng)電變流器應(yīng)用于實(shí)際工作需要考慮的外部環(huán)境變化影響，并針對(duì)影響因素提出措施，從而使可靠性得到提升。設(shè)備可靠性提升為系統(tǒng)正常運(yùn)行提供保障，風(fēng)力發(fā)電發(fā)展前景十分廣闊，能夠?yàn)槟茉磫?wèn)題解決提供保障，因此需要保障其核心部件正常穩(wěn)定工作。

參考文獻(xiàn)

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