計及焊層疲勞影響的風電變流器IGBT模塊熱分析及改進熱網路模型

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輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室（重慶大學）、國網江西省電力公司贛州供電分公司、重慶科凱前衛風電設備有限責任公司的研究人員李輝、胡姚剛、劉盛權、李洋、劉志祥，在2017年第13期《電工技術學報》上撰文，針對不同疲勞壽命時期對風電變流器絕緣柵雙極型晶閘管（IGBT）模塊結溫的影響，分析焊層在不同脫落度下的IGBT模塊熱阻變化規律，並建立考慮熱阻變化的改進熱網路模型。

首先，依據風電機組變流器IGBT模塊的結構和材料屬性，建立三維有限元熱-結構耦合分析模型，對基板焊層和晶元焊層在不同脫落度下IGBT模塊結溫和熱應力的分布規律進行模擬分析。其次，確定不同焊層脫落度下其熱阻增量值，並建立IGBT模塊改進熱網路模型。最後，將三維有限元模型和改進熱網路模型的結溫計算結果進行對比分析，驗證了所提的改進熱網路模型的有效性。

風電變流器是風力發電中能量轉換的重要環節，尤其是海上風電變流器承受著更加嚴酷的運行環境。風電機組長時間、頻繁和大範圍的隨機出力變化，導致電能轉換單元持續承受劇烈的熱應力衝擊，風電變流器可靠性程度受到越來越多的關注[1-3]。

絕緣柵雙極型晶閘管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）模塊作為風電變流器關鍵部件之一，其運行可靠性對於變流器系統及整機可靠性至關重要。結溫是表徵功率器件健康程度的關鍵狀態特徵量之一[3]，通常利用電熱耦合模型實現IGBT模塊結溫計算[2,4]。但是，風電變流器持續運行期間，IGBT模塊各層材料間產生的交變熱應力將使其焊料層出現疲勞裂縫，甚至出現焊層疲勞脫落現象。

隨著疲勞進程不斷延展加大，其熱阻等參數將不可避免地出現漂移，尤其在疲勞壽命後期可能更為顯著。因此，很有必要研究IGBT模塊熱分布變化規律和建立考慮焊層疲勞脫落影響的改進熱網路模型，對不同疲勞壽命時期的風電變流器IGBT模塊結溫計算和提高風電變流器IGBT模塊狀態監測技術水平有重要工程應用價值。

目前國內外學者關於功率器件的結溫評估和疲勞老化的研究工作已有部分成果。文獻[4]利用集總參數法建立了IGBT模塊瞬態導熱的熱網路模型。文獻[5]對比研究了電流遲滯控制、正弦脈寬調製、空間矢量脈寬調製三種方式下脈衝負載對IGBT模塊結溫的不同影響。

文獻[6]考慮多晶元熱源之間的耦合作用對IGBT模塊功率循環能力的影響，對不同的結溫計算模型進行了誤差分析。文獻[7,8]研究了基於殼溫的風電變流器狀態監測方法。但是上述文獻都是假設基於IGBT模塊熱阻為固定值[4]，其無法追蹤結溫在不同壽命時期的動態演變過程，且不同風速下IGBT模塊的結殼熱阻與不同的焊料層疲勞老化程度之間的關係尚未研究。

文獻[9]利用不同功率循環次數下結溫的變化量來進行IGBT模塊的狀態監測，但其疲勞壽命後期結溫的評估仍是基於固定熱阻的常規熱網路模型。文獻[10]從熱傳導路徑的角度分析了IGBT模塊的結溫計算，但是其僅研究了基板焊層老化引起的導熱路徑變化，而沒有考慮疲勞影響可能更為顯著的晶元焊層疲勞。

IGBT模塊在運行過程中長期承受著各種不同水平的熱應力疲勞載荷，其健康狀態不斷惡化，尤其在疲勞壽命後期將出現焊層疲勞脫落現象（主要包括基板焊層和晶元焊層脫落），IGBT模塊內部物理結構發生改變，進而引起模塊的熱傳遞路徑改變引起熱阻發生變化，導致IGBT模塊結溫進一步升高。因此，有必要進一步研究考慮焊層疲勞影響的IGBT模塊熱分布規律和建立考慮熱阻變化的改進熱網路模型。

基於此，為了準確計算風電變流器IGBT模塊的結溫，建立了考慮熱阻變化的改進熱網路模型。首先依據實際雙饋風電變流器IGBT模塊的材料特性參數，建立其三維有限元熱-結構耦合分析模型（簡稱「三維有限元模型」），研究不同脫落度下IGBT模塊的溫度、熱應力及熱阻變化規律。其次，研究不同風況下的熱阻提取過程，並建立了考慮熱阻變化的IGBT模塊改進熱網路模型。最後，分別通過應用三維有限元模型和改進熱網路模型，對計算的兩種IGBT模塊結溫進行對比，驗證了改進熱網路模型的有效性。

圖1雙饋風電變流器IGBT模塊及其剖面

結論

依據雙饋風電變流器IGBT模塊結構，建立了IGBT模塊的三維有限元模型，並分析在不同的基板焊層和晶元焊層脫落程度下IGBT模塊的結溫、熱應力分布及熱阻變化規律，提出了考慮熱阻變化的改進熱網路模型，通過對比分析驗證了所提的改進熱網路模型的有效性。主要結論如下：

1）無論是基板焊層還是晶元焊層脫落，在相同損耗條件下，IGBT模塊的結溫都會隨著焊層脫落度的增大而增大，但是晶元焊層脫落的影響更為明顯；當焊層出現疲勞後，基板焊層和晶元焊層最大von-Mises應力都隨著脫落度的增加而增大。

2）在相同風速作用下，IGBT熱阻增量會隨著焊層脫落度的增大而增大，與基板焊層疲勞相比，晶元焊層疲勞導致的熱阻增量更為顯著。在相同焊層疲勞作用下，不同風速作用對其IGBT模塊熱阻增量影響幾乎相同。

3）通過將改進熱網路模型與三維有限元模型計算的IGBT模塊結溫計算結果對比，表明本文提出的考慮熱阻變化的IGBT模塊改進熱網路模型是有效的，可用於不同疲勞壽命時期的風電變流器IGBT模塊結溫計算與分析。

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