高原風(fēng)力發(fā)電機組用全功率變流器技術(shù)要求

北京天誠同創(chuàng)電氣有限公司、昆明電器科學(xué)研究所、新疆金風(fēng)科技股份有限公司等。

馬忠寶、顧偉峰、張東寧等。

適用于海拔1 000 m以上至5 000 m及以下網(wǎng)側(cè)額定電壓不超過1 000 VAC、額定頻率為50 Hz的高原風(fēng)力發(fā)電機組用全功率變流器。

《風(fēng)力發(fā)電機組 全功率變流器(第2部分):試驗方法(GB/T 25387.2-2010)》由中國標(biāo)準(zhǔn)出版社出版。

大功率并網(wǎng)風(fēng)電變流器狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)老化失效形式及機理

在風(fēng)電機組的背靠背變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，不論是陸上風(fēng)機或者海上風(fēng)機，雙饋風(fēng)電機組還是永磁直馭風(fēng)電機組，由于其機側(cè)變流器都可能長期運行于較低的頻率，此時器件結(jié)溫波動較為顯著，嚴(yán)重影響著其功率模塊的功率循環(huán)能力，給風(fēng)電機組的可靠運行帶來了不可忽視的安全隱患。

如圖《風(fēng)電變流器模塊的功率器件結(jié)構(gòu)及材料屬性》為目前廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電變流器的塑封型功率模塊剖而圖，從圖中可以看到其由多種不同熱膨脹系數(shù)(Coefficient of Thermal Expansion，CTE)的材料組成。在熱循環(huán)過程中，由于熱膨脹系數(shù)CTE的不匹配必將導(dǎo)致其疲勞應(yīng)力增加，從而引起其焊層破裂和焊料層空洞，進而影響到各材料層之間的電氣連接，使得沿?zé)醾鲗?dǎo)路徑的熱阻增加。在整個壽命周期，功率半導(dǎo)體器件的結(jié)溫水平呈遞增趨勢，最終導(dǎo)致器件老化失效。

變流器IGBT模塊的失效機理主要包括鋁鍵合線脫落、焊層疲勞、鍵合線根部斷裂和鋁金屬化的重構(gòu)。其中，金屬化的重構(gòu)現(xiàn)象可由功率模塊功率循環(huán)后觀察到，由于鋁與硅芯片熱膨脹系數(shù)的差異，經(jīng)過反復(fù)的溫度循環(huán)沖擊，它們之間的熱機械應(yīng)力會使得鋁金屬化而形成顆粒狀的粗糙接觸而，減小了金屬有效接觸而積，從而導(dǎo)致其電阻增大 。鋁鍵合線脫落會削弱功率模塊的導(dǎo)電性能，焊層疲勞會引起導(dǎo)熱性能的下降 。另外，鋁鍵根部斷裂現(xiàn)象通常也可在經(jīng)過長時間功率循環(huán)測試的IGBT模塊中觀察到。導(dǎo)致該失效的主要原因是在焊接過程中，由于超聲波振動導(dǎo)致鋁鍵合引線根部產(chǎn)生裂縫，且與鋁鍵合引線脫落相比，其斷裂過程更慢。采用新一代的壓接式封裝技術(shù)可避免或者減少使用鋁鍵合線和焊層，有研究表明，IGBT模塊的壓接式封裝結(jié)構(gòu)至少可以減小一個數(shù)量級的疲勞壽命損。

此外，該技術(shù)也可以把金屬基板直接壓在半導(dǎo)體芯片上，這種結(jié)構(gòu)無需連接傳統(tǒng)的散熱器，并可以同時傳導(dǎo)熱能和電能。與塑封IGBT相比，采用壓接式IGBT模塊不僅可以通過兩側(cè)散熱提高功率密度，而且去除了鍵合引線及焊層連接的結(jié)構(gòu)方式，因此消除了鍵合引線脫落、斷裂或焊料層疲勞的失效模式，器件的可靠性顯著提高。然而，這種新的封裝形式也帶來了和其結(jié)構(gòu)相關(guān)的新的失效形式。壓接式IGBT的每個柵極通過裝有彈簧的引線連接，彈簧在功率循環(huán)的過程中受到反復(fù)的壓縮/膨脹而產(chǎn)生疲勞，引起彈簧應(yīng)力損傷，經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)，最終也會老化失效，影響風(fēng)力發(fā)電變流器的運行可靠性。

除熱應(yīng)力外，當(dāng)器件在超過額定電壓或電流工作時，有可能產(chǎn)生過電應(yīng)力而造成器件損壞。在過電應(yīng)力作用下，器件局部將會過熱，在該熱點溫度達到材料熔點時，材料開始熔化并導(dǎo)致開路或短路故障，從而損毀器件。過電應(yīng)力可分為過電壓應(yīng)力和過電流應(yīng)力，過電壓包括柵極過電壓、集電極-發(fā)射極過電壓及雜散電感過電壓等，過電流包含擎住效應(yīng)及短路現(xiàn)象等 。

大功率并網(wǎng)風(fēng)電變流器狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)疲勞壽命評估方法分析

針對風(fēng)電變流器可靠性低、維護成木高的嚴(yán)峻現(xiàn)實，如何評估其功率模塊的剩余壽命是進行狀態(tài)檢修和運行維護的關(guān)鍵。目前已有一些研究提出了用以描述功率模塊老化進程的壽命模型，如LESIT項目利用不同制造商的IGBT模塊，通過功率循環(huán)實驗，發(fā)現(xiàn)器件的失效主要與結(jié)溫平均值,及其波動幅值有關(guān)。