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        低壓直流高頻隔離AC/DC變換器壽命評估★

        2021-11-12 09:04:44劉國偉郭小易歐國平俞鵬飛
        關(guān)鍵詞:結(jié)溫熱循環(huán)二極管

        劉國偉,郭小易,歐國平,俞鵬飛

        (1.深圳供電局有限公司,廣東 深圳 518048;2.華南理工大學(xué),廣東 廣州 510640)

        0 引言

        隨著用戶對用電安全和電能質(zhì)量要求的提高,低壓直流供電技術(shù)在民用建筑、市政用電和精密制造等用電場景逐步地試點應(yīng)用[1-5]。其中,AC/DC變換器是聯(lián)系交流配電系統(tǒng)與直流用電系統(tǒng)的重要紐帶,實現(xiàn)交直流配用電的功率交換,其壽命對末端連續(xù)可靠用電起主導(dǎo)作用。

        AC/DC變換器的核心組件是功率半導(dǎo)體和直流支撐電容器,它們的壽命受濕度、電應(yīng)力和熱應(yīng)力等因素共同作用,以熱應(yīng)力的影響最大[6-7]。針對AC/DC變換器的壽命及可靠性評價已成為國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注點:文獻[8]分析比較了兩種電平變換器、NPC變換器和飛跨電容式變換器的功率損耗,并簡要地討論了幾種變換器的可靠性和諧波;文獻[9]基于故障物理和蒙特卡洛模擬法比較了在光伏能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中常用的3種多電平變換器的IGBT模塊的壽命;文獻[10]提出了一種估計變換器預(yù)期壽命的模型,通過使用現(xiàn)場數(shù)據(jù)和供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)作了驗證;文獻[11]建立了電力電子設(shè)備的可靠性模型,分析了電力電子設(shè)備對直流配電網(wǎng)可靠性的影響。

        用于低壓直流供電的高頻隔離AC/DC變換器模塊能實時地控制電壓的幅值和相位,具有靈活調(diào)節(jié)電流及功率的優(yōu)點,但其組成元件數(shù)量多、布局緊湊、散熱困難,其壽命及可靠性評估研究亟待開展。這不僅有助于模塊化冗余配置變換器,還有助于制定合理的功率路由策略,開展全生命周期的資產(chǎn)管理。然而,國內(nèi)外的低壓直流配用電系統(tǒng)集成和示范項目還很少,低壓AC/DC變換器運行時間短,數(shù)據(jù)收集手段單一,導(dǎo)致可靠性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)匱乏,給壽命量化評估帶來不小的難度[12-17]。

        針對低壓直流并網(wǎng)的應(yīng)用場景,以元件物理失效方法為基礎(chǔ),提出高頻隔離AC/DC變換器壽命評估方法,進一步地分析了不同元件電熱應(yīng)力、變換器的薄弱環(huán)節(jié)及冗余配置的可靠性影響。

        1 高頻隔離AC/DC變換器

        高頻隔離AC/DC變換器的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。經(jīng)過VIENNA電路將交流整流為直流,然后逆變?yōu)楦哳l交流;經(jīng)過高頻變壓器隔離后,最后整流為直流。

        圖1 高頻隔離AC/DC變換器拓撲

        VIENNA整流器三相一共有8種不同的開關(guān)狀態(tài)[18]。以A相為例,當相電流方向為正且開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)時,二極管D11和D1將輸入連接到DC的正母線。類似地,當輸入電流方向為負時,二極管D12和D1將輸入連接到DC的負母線。當開關(guān)T接通時,二極管D13導(dǎo)通,從而將相位輸入連接到直流母線中性點O。電流方向為負且開關(guān)處于導(dǎo)通時,D14導(dǎo)通。VIENNA整流器的操作取決于開關(guān)的狀態(tài),以及相輸入電流的方向[19-20],其工作原理如式(1)-(2)所示:

        式(1)-(2)中:swi——i相的開關(guān)函數(shù);

        ii——i相的相電流;

        Uio——相電壓;

        Uco1、Uco2——電容C1和C2的電壓。

        后級高頻隔離DC/DC變換器采用移相控制,通過改變兩個電平電壓間的移相角實現(xiàn)對傳輸功率的控制[21-22]。U1和U2是漏感兩側(cè)的等效交流方波電壓,兩者之間的相位差是φ。線路上傳輸?shù)挠泄β时磉_式為(3),由此可以計算傳輸功率。

        2 壽命評估框架

        并網(wǎng)AC/DC變換器壽命評估采用基于失效物理理論的壽命評估方法,包括變換器電氣模型、電熱比擬模型、壽命解析模型和累積疲勞損傷模型,具體的壽命評估框架如圖2所示。

        圖2 變換器各個元件的壽命評估流程

        根據(jù)已知的變換器任務(wù)剖面,基于電力電子數(shù)學(xué)模型解析變換器各個元件的電氣量;從元件數(shù)據(jù)手冊取得相關(guān)參數(shù),計算各個元件的功率損耗值;利用電熱比擬理論,用熱等效網(wǎng)絡(luò)估算IGBT、二極管的結(jié)溫和電容熱點溫度,從而得到IGBT、二極管和電容器的全年溫度數(shù)據(jù)序列;對IGBT和二極管,用雨流計數(shù)法[23]計算熱循環(huán)次數(shù),并依據(jù)壽命模型和累積損傷模型評估壽命;針對電容器,熱點溫度序列可直接用于壽命模型和累積損傷模型的壽命計算;取壽命最小的器件作為變換器薄弱環(huán)節(jié),并將其壽命作為變換器壽命。

        3 元件壽命評估方法

        3.1 IGBT和二極管結(jié)溫

        式(6)中:a,b和c——參數(shù),從廠家數(shù)據(jù)手冊特定的結(jié)溫下,E-Ic靜態(tài)特性曲線中擬合而獲??;

        Unom——測試條件下的阻斷電壓;

        fs——IGBT開關(guān)頻率。

        IGBT模塊總的平均功率損耗為:

        相似地,二極管的總損耗Ploss,D是導(dǎo)通損耗Pcon,D和恢復(fù)損耗Prec,D之和。

        鑒于參數(shù)獲取難度,選取Foster熱網(wǎng)絡(luò)[24]電熱比擬解析IGBT模塊在電熱應(yīng)力下的溫度傳遞。Foster模型的熱等效網(wǎng)絡(luò)如圖3所示,其中包括結(jié)-殼網(wǎng)絡(luò)(4個一階Foster模型串聯(lián))、導(dǎo)熱脂和散熱器網(wǎng)絡(luò)??紤]到元件損耗和結(jié)溫的相互作用和影響,采用迭代法使求解的各個元件的有功損耗和結(jié)溫更加精確。

        圖3 Foster熱網(wǎng)絡(luò)模型

        此外,加載在IGBT和二極管上的熱循環(huán)主要有3類:1)高頻熱循環(huán);2)基頻熱循環(huán);3)低頻熱循環(huán)。IGBT高頻開關(guān)周期比熱網(wǎng)絡(luò)時間常數(shù)小得多,即Foster網(wǎng)絡(luò)相當于低通濾波器,因此忽略高頻熱循環(huán)。低頻熱循環(huán)周期可以通過雨流計數(shù)算法獲得,而基頻熱循環(huán)可用電熱比擬理論解析并推導(dǎo)得到[6]。

        3.2 IGBT和二極管壽命模型

        比較IGBT和二極管的壽命解析模型,LESIT壽命模型綜合地考量了結(jié)溫波動差值ΔTj和平均結(jié)溫Tjm,具有一定的普遍性和實用性,本文用其計算失效的熱循環(huán)次數(shù)Nf[25]。Nf的計算如下:

        式(8)中:a,b——常數(shù);

        Kb——玻爾茲曼常數(shù)(8.62×10-5eV/K);

        Ea——激活能。

        基于Miner法則[26],元件所承受的熱循環(huán)損傷具有線性可疊加性。因此,全年所有熱循環(huán)累積損耗的壽命CL為:

        式(9)中;Nf,j——與第j個熱循環(huán)對應(yīng)的失效熱循環(huán)次數(shù);

        Nj——第j個熱循環(huán)的數(shù)量;

        CL——包含了基頻和低頻熱循環(huán)消耗的壽命。

        假設(shè)變換器1年的任務(wù)剖面和環(huán)境溫度差異不大,每個器件1年消耗的壽命相同,則IGBT的預(yù)期壽命LT和二極管的預(yù)期壽命LD為:

        3.3 電容熱點溫度計算

        鋁電解電容等效串聯(lián)電阻(ESR)隨諧波電流頻率的增加而降低,當頻率高于1 kHz后ESR隨頻率變化不再明顯。高頻隔離AC/DC變換器開關(guān)頻率遠大于1 kHz,大部分諧波分量處于恒定ESR(ESRconst)范圍,僅有少量的基帶諧波分量頻率nf0處于1 kHz以下。本文中VIENNA整流器中的直流側(cè)基帶諧波電流可通過幾何墻模型[27]求解得到,則電容電流各次基帶諧波分量(m=0)可由式(11)得到。

        進一步地,再通過如圖4所示的電容熱等值網(wǎng)絡(luò)獲得電容熱點溫度。

        圖4 電容熱等值網(wǎng)絡(luò)

        3.4 電容壽命模型

        電容器壽命模型[28]如式(13)所示。

        式(13)中:V——實際承受的電壓;

        V0——測試電壓;

        L(Th)——電容在特定熱點溫度Th下的預(yù)測壽命;

        L0——測試條件下的壽命;

        Th——電容實際熱點溫度,單位為℃;

        T0——電容測試條件下的熱點溫度;

        α——電壓應(yīng)力指數(shù)。

        采用累積損傷理論量化電容器在變化工況下的壽命,即認為電容器在電熱應(yīng)力下發(fā)生老化,并且該疲勞損傷隨使用時間不斷增加。在很小的時間區(qū)間Δt內(nèi)(Δt為溫度采樣周期),認為電容器電熱應(yīng)力不變。根據(jù)Miner原則,電容器全年的累計疲勞損傷D為所有采樣點對應(yīng)沖擊產(chǎn)生的疲勞損傷總和:

        式(14)中:Ns——全年環(huán)境溫度的總采樣點數(shù);

        L[Th(t)]——在采樣時刻t時式(13)的計算值。

        因此,電容器的壽命LC為全年累積疲勞損傷的倒數(shù)。

        4 算例分析

        4.1 系統(tǒng)概況

        深圳市中美中心示范工程R3模塊區(qū)域低壓直流配用電系統(tǒng),是民用建筑直流關(guān)鍵技術(shù)的示范工程,包括直流辦公和直流家居等典型的應(yīng)用場景。該系統(tǒng)通過高頻隔離AC/DC變換器與交流配電網(wǎng)作功率交換。AC/DC變換器相關(guān)參數(shù)如表1所示。圖5a、5b分別給出了功率任務(wù)剖面和深圳市環(huán)境溫度曲線。

        圖5 傳輸功率任務(wù)剖面和環(huán)境溫度

        表1 系統(tǒng)及AC/DC變換器參數(shù)

        高頻隔離AC/DC變換器中VIENNA整流器采用F3L50R06W1E3_B11 IGBT模塊。后級DC/DC變換器中采用2個FS75R12KS4模塊并聯(lián)和1個FP150R12KT4P_B11模塊。電容器組C1、C2和C3由電容器380LQ221M450K022串并聯(lián)構(gòu)成。壽命評估流程中所需的各個元件電氣參數(shù)和熱參數(shù)可從相應(yīng)的元件數(shù)據(jù)手冊中獲取。

        4.2 AC/DC變換器壽命評估

        在該工況下的高頻隔離AC/DC變換器,二極管D1結(jié)溫,以及電容C1、C2和C3的熱點溫度如圖6所示。當變換器流過圖5中的最大傳輸功率時,變換器中各個元件的功率損耗及其組成如圖7所示。

        圖6 元器件溫度

        比較VIENNA整流器中T1和D1的功率損耗,T1的功率損耗最大。如果某元件功率損耗越大,則該元件的結(jié)溫就越高。圖8a和圖8b分別表示變換器各個元件的結(jié)溫波動幅值和均值的箱線圖。箱線圖的矩形框中黑線表示中位數(shù),下邊界和上邊界分別為下四分位數(shù)和上四分位數(shù),上下兩端虛線延伸至最大和最小值點。相比于D1、D11和D13,T1在低頻熱循環(huán)的作用下承受更高的結(jié)溫波動ΔTj和平均結(jié)溫Tjm,但T1承受的熱循環(huán)中并不包含基頻熱循環(huán)。由于基頻熱循環(huán)的數(shù)量遠多于低頻熱循環(huán)的數(shù)量,因此,雖然由低頻熱循環(huán)引起的壽命損耗CLL,T1大于D1,但D1基頻熱循環(huán)引起的壽命損耗CLF較高,進而總壽命損耗D1大于T1,如表2所示。

        圖8 結(jié)溫波動幅值和均值

        表2 元件年壽命損耗

        對于后級高頻隔離DC/DC變換器,當變換器通過圖5所示的最大傳輸功率時,DC/DC變換器工作在電流斷續(xù)模式,電流不留過D3,因此圖7的D3有功損耗為0。由于工作在較高的工作頻率下,T2具有較大的開關(guān)損耗,其有功損耗遠大于其他元件,并承受著較高的低頻熱循環(huán)。高頻隔離DC/DC變換器中,各個功率半導(dǎo)體器件的疲勞損傷與VIENNA整流器中T1同樣只由低頻熱循環(huán)引起,所以盡管T2承受著較大的低頻熱應(yīng)力,但總疲勞損耗依舊小于D1。

        圖7 元件功率損耗

        高頻隔離AC/DC變換器中各個元件的壽命如表3所示。VIENNA整流器中D1和C1的壽命分別為6.3年和15.8年,后級DC/DC變換器中T2和C3的壽命分別為163.0年和10.9年。高頻隔離AC/DC變換器中薄弱環(huán)節(jié)為VIENNA整流器中的二極管D1。

        表3 VIENNA變換器各個元件的壽命

        表4 DC/DC變換器各個元件壽命

        4.3 模塊冗余配置的影響

        冗余配置AC/DC模塊將有助于降低AC/DC變換器中各個元件所承受的電流應(yīng)力,進一步地改善AC/DC變換器的壽命。如每極分別增加1個高頻隔離AC/DC冗余模塊時,VIENNA變換器D1和電容C1、C3的溫度曲線如圖9-10所示。冗余模塊配置使D1的有功損耗減少和結(jié)溫降低。對比圖6、10中電容熱點溫度由于流過的電容電流的減少,也得到一定程度的下降。各個元件熱應(yīng)力的降低,可改善元件壽命。增加一個冗余AC/DC模塊后,D1的壽命由6.3年延長至18.7年,提高了2.97倍。電容C1的壽命由15.8年延長至18.8年,C3的壽命由10.9年延長至14.8年,分別增大了1.19倍和1.36倍。此時,高頻隔離AC/DC變換器薄弱環(huán)節(jié)為后級DC/DC變換器輸出側(cè)的直流支撐電容。AC/DC變換器整體壽命相比于無冗余配置提高了2.35倍,大幅度地提高了系統(tǒng)的可用性。

        圖9 D1年結(jié)溫曲線

        圖10 含冗余AC/DC模塊時電容熱點溫度

        5 結(jié)束語

        本文基于物理失效的方法量化地評估了低壓直流高頻隔離AC/DC變換器壽命,解析變換器可靠性機理,探明其薄弱環(huán)節(jié),分析冗余配置對變換器壽命的影響,得到了以下結(jié)論:

        1)在給定的工況下,高頻隔離AC/DC變換器的壽命為6.3年,薄弱環(huán)節(jié)為VIENNA整流器中二極管D1,其壽命損耗主要由基頻熱循環(huán)導(dǎo)致;

        2)通過配置冗余AC/DC模塊來改善變換器壽命,增加一個AC/DC模塊后,高頻隔離AC/DC變換器的整體壽命可提高2.35倍,此時其薄弱環(huán)節(jié)為后級DC/DC變換器輸出側(cè)直流支撐電容。

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