计及疲劳累积效应的变流器功率器件寿命评估与预测研究

For high reliability of converters in renewable power generation systems,researches related to fatigue aging, failure mechanism of power devices under the effects of multi-factor, will be investigated in this project from different angles including electrical working point, thermal cycling，mechanical stresses and fatigue accumulation. Aanalysis on thermal stress distribution and change rule in power devices under different power cycle and thermal cycle, and study on the fatigue-to-aging mechanisms regarding ultimate impacts and long-term low strength stress cycling effects, will be conducted. The research focuses on in-depth theoretical analysis and systematical experimental study on the problem currently receiving wide international concern, namely how to quantify the effects of a large number of low strength stress impact to lifetime of devices. The project will conduct the analysis regarding device performance degradation and defect creation, developing and the process to failure, and research on the damage degree of power devices caused by thermal impact with the existing internal defect. The lifetime evaluation and prediction models of the power devices, which take fatigue accumulative effect into consideration and can quantify the effect of long term small temperature cycling to device fatigue life cycle. The intended outcome of this project will provide important theoretical and data support for security assessment and reliability monitoring of renewable generation power electronic equipment, and also provide scientific foundation for the design and development of power electronic devices with high power and high reliability.

围绕新能源发电变流器的高可靠性问题，本项目拟从电气工作点、热应力、机械应力和疲劳累积等角度，研究功率器件在多种因素作用下的的疲劳老化效应和失效机理，分析不同功率水平和温度循环过程中器件的热应力分布特性和变化规律，研究在极限冲击和长期低强度应力作用下器件的疲劳和老化效果。项目将针对目前国际上普遍关注的难题：即如何表征长期低强度热应力冲击在器件寿命消耗中的作用，进行深入的理论分析和系列测试实验研究。分析器件性能衰退和缺陷的产生、发展以及向失效演化的过程，研究功率器件在已存在内部缺陷时，不同温度冲击对其损伤程度的影响规律，建立计及疲劳累积效应、定量化描述持续小幅度温度冲击对功率器件热疲劳寿命的作用效果的寿命评估与预测模型；为新能源电力电子设备的安全评估和可靠性监控提供理论和数据支撑，同时也为大功率、高可靠性电力电子器件的设计和研发提供新的科学依据。

随着我国新能源发电装机容量快速增长，对功率变流器的容量、效率和可靠性的要求越来越高。特别是风力发电系统的运行条件恶劣，功率器件长期处于交变的疲劳载荷下，加速了材料和内部封装结构的老化，导致故障率增高。因此提高变流器可靠性、降低设备故障风险和运维成本显得尤为迫切和重要，而提高变流器可靠性很大程度上依赖于较为准确的寿命评估模型。近年来对功率器件的可靠性和寿命模型研究受到国内外的广泛关注，主要在大热载荷冲击下进行加速老化试验的基础上建立寿命建模。而功率器件运行中实际承受的热循环一般为40°C左右，与基于70°C以上热循环的加速老化寿命试验相去甚远。现有的寿命模型不能有效反映低强度交变热应力冲击对器件寿命的影响。因此需要突破传统的加速老化寿命试验方法，从热应力作用的实际机理出发，提出新的思路和寿命评估方法，建立更贴近实际情况的寿命模型。本项目针对如何表征长期低强度热应力冲击在器件寿命消耗中的作用，进行深入的理论分析和系列测试实验研究。分析器件性能衰退和失效演化的过程，建立计及疲劳累积效应、定量化描述持续小幅度温度冲击对IGBT器件热疲劳寿命的作用效果的寿命评估模型。围绕该主题，本项目开展以下创新研究工作：.① 研究IGBT内部温度场分布特性，提出采用温度梯度及其统计特性表征IGBT模块内部热力行为的方法。.② 分析器件老化对参数灵敏性影响，甄选特征参数，并建立了基于多特征参数的IGBT模块健康状态综合评估模型。.③ 设计了研究极限冲击和长期低强度应力对器件老化作用机制的试验方法，率先系统性地证明了低强度热载荷对器件可靠性的影响规律。.④ 以功率器件老化物理演化过程为依据，融入低强度热载荷作用机理，建立了计及疲劳累积效应的功率器件寿命评估模型，对传统寿命模型进行重要修正。.本项目在国内外核心期刊、会议发表论文23篇，其中SCI期刊论文11篇，EI期刊论文9篇。组织出席学术会议6人次，培养博士后1人，博士研究生2人，硕士研究生4人。