功率變流器中關(guān)鍵器件在線監(jiān)測技術(shù)的研究.pdf

1、十三五規(guī)劃提出生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體得到改善的目標(biāo)要求，為解決生態(tài)環(huán)境與能源危機(jī)等問題，促進(jìn)了新能源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，尤其以風(fēng)力發(fā)電為代表的新能源發(fā)電裝機(jī)容量逐年增加。根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用數(shù)據(jù)表明，功率變流器是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)之一。作為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，功率變流器的可靠性直接影響新能源發(fā)電的并網(wǎng)以及大電網(wǎng)的安全運(yùn)行。
　　功率變流器故障主要由IGBT模塊和直流母線電容老化失效引起的。由于風(fēng)能的隨機(jī)性和不穩(wěn)定性，風(fēng)電變流器

2、在處理能量的過程中功率器件的結(jié)溫會發(fā)生大幅度的波動，再加上IGBT模塊封裝材料熱膨脹系數(shù)差異較大，較高的結(jié)溫波動使得IGBT模塊焊料層和鍵合線極易出現(xiàn)老化。在變流器工作過程中，直流母線電容電解液會逐步揮發(fā)，使得母線電容發(fā)生老化。隨著變流器中關(guān)鍵器件的老化，風(fēng)電變流器的可靠性逐漸降低。為避免因IGBT模塊或直流母線電容老化而突然失效給風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)帶來災(zāi)難性后果，實(shí)時在線監(jiān)測IGBT模塊和直流母線電容的老化特征量，及時發(fā)現(xiàn)并更換健康水平較低

3、的器件，是目前亟待解決的問題。
　　本文提出了一種功率變流器關(guān)鍵器件的在線監(jiān)測方法，能同時對IGBT模塊和直流母線電容的健康水平進(jìn)行在線評估。在變流器正常工作過程中，加入短路測試，在線測試 IGBT模塊的短路電流以及直流母線電容端口電壓的突變量。IGBT模塊的健康水平可以根據(jù)測得的短路電流大小進(jìn)行判斷；根據(jù)IGBT模塊的短路電流和直流母線電容的端口電壓，可以計算出直流母線電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)，進(jìn)而在線評估直流母線電容的健康

4、水平。本文的主要工作如下：
　　首先，詳細(xì)分析了IGBT模塊和電解電容的老化機(jī)理，并提出了IGBT模塊和直流母線電容的狀態(tài)監(jiān)測方法。本文提出了一種基于短路電流的IGBT模塊狀態(tài)監(jiān)測方法，從理論上分析了IGBT模塊鍵合線老化對IGBT短路電流的影響。根據(jù)本文提出的方法，只需監(jiān)測IGBT模塊的短路電流，就可以直接判斷模塊的健康水平而不需要考慮芯片的結(jié)溫。同時對電解電容的老化特征量和狀態(tài)監(jiān)測方法進(jìn)行了詳細(xì)的分析。
　　其次，提出了

5、基于短路電流的IGBT模塊及直流母線電容的在線監(jiān)測方法。以短路電流作為IGBT模塊的老化特征量，等效串聯(lián)電阻作為直流母線電容的老化特征量。詳細(xì)分析了短路電流及ESR的在線測量方法。在變流器正常工作過程中加入短路測試，使待測IGBT模塊工作在電流飽和狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)IGBT及直流母線電容的在線監(jiān)測。同時，短路測試對關(guān)鍵器件的影響以及對變流器正常工作的影響在本文中進(jìn)行了詳細(xì)的分析。
　　最后，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文提出的在線監(jiān)測方法的正確性。設(shè)

6、計了一款用于功率變流器關(guān)鍵器件在線監(jiān)測的IGBT驅(qū)動電路，該驅(qū)動電路能輸出三種不同的電平使變流器中的IGBT可以工作在不同狀態(tài)。利用設(shè)計的IGBT驅(qū)動電路，在恒溫箱中，對IGBT模塊不同鍵合線老化狀態(tài)、不同芯片結(jié)溫時，在不同門極驅(qū)動電壓下進(jìn)行短路測試，并分析IGBT模塊的短路電流與門極驅(qū)動電壓、芯片結(jié)溫以及鍵合線老化狀態(tài)的關(guān)系。并搭建了一套單相逆變器實(shí)驗(yàn)平臺，對IGBT模塊的短路電流以及直流母線電容的ESR進(jìn)行在線測量。試驗(yàn)結(jié)果與理論分