MW級(jí)風(fēng)電變流器功率器件的自適應(yīng)數(shù)字驅(qū)動(dòng)研究

課題組按照申請(qǐng)書中所提的研究范圍進(jìn)行了全面的研究，首先我們建立了功率器件的雙脈沖實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究和建立了功率器件的動(dòng)態(tài)模型。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了第一版本的數(shù)字驅(qū)動(dòng)板，包含了有源鉗位、軟關(guān)斷、變電阻驅(qū)動(dòng)等功能。我們搭建了100kW直驅(qū)型風(fēng)電變流器的模型，并在此模型上驗(yàn)證數(shù)字驅(qū)動(dòng)技術(shù)，與傳統(tǒng)模擬驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行比較。在以上基礎(chǔ)上，課題組和專業(yè)公司進(jìn)行合作，共同開發(fā)了終版的數(shù)字驅(qū)動(dòng)板。在數(shù)字驅(qū)動(dòng)技術(shù)基礎(chǔ)上，課題組延生研究了新型的功率拓?fù)浼夹g(shù)，最后，在承擔(dān)的國(guó)家電網(wǎng)項(xiàng)目--高壓STATCOM上應(yīng)用了數(shù)字驅(qū)動(dòng)技術(shù)。 通過(guò)本課題的研究，我們培養(yǎng)和正在培養(yǎng)碩士3名，發(fā)表了20篇論文，包括5篇SCI檢索論文，申請(qǐng)專利7項(xiàng)，并獲得2項(xiàng)授權(quán)。

功率器件開關(guān)過(guò)程的電壓電流變化率du/dt、di/dt對(duì)變流器的效率、EMI等關(guān)鍵問(wèn)題有著決定性作用。尤其是在MW級(jí)風(fēng)電變流器中，du/dt、di/dt具有更大的變化空間，所以對(duì)于它們的控制就顯得更加關(guān)鍵。同時(shí)，MW級(jí)風(fēng)電變流器的大功率波動(dòng)特性又使得傳統(tǒng)基于模擬開環(huán)、模擬閉環(huán)驅(qū)動(dòng)的du/dt、di/dt控制策略具有各自的局限性。基于此，本課題提出一種MW級(jí)風(fēng)電變流器功率器件的自適應(yīng)數(shù)字驅(qū)動(dòng)策略。擬將FPGA嵌入驅(qū)動(dòng)電路，用多段數(shù)字化方式反饋功率器件寄生電感及通態(tài)電阻電壓，再結(jié)合FPGA內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)dt，通過(guò)FPGA計(jì)算實(shí)現(xiàn)數(shù)字化du/dt、di/dt觀測(cè)。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)FPGA編程動(dòng)態(tài)選擇門極驅(qū)動(dòng)電壓、動(dòng)態(tài)分段改變門極電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)驅(qū)動(dòng)。相比于模擬驅(qū)動(dòng)，數(shù)字驅(qū)動(dòng)的反饋和控制參數(shù)對(duì)于MW級(jí)風(fēng)電變流器大容量大功率波動(dòng)特性具有靈活的自適應(yīng)性，能夠?qū)崿F(xiàn)更高效率、更低EMI水平的變流器。

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

在風(fēng)電機(jī)組的背靠背變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，不論是陸上風(fēng)機(jī)或者海上風(fēng)機(jī)，雙饋風(fēng)電機(jī)組還是永磁直馭風(fēng)電機(jī)組，由于其機(jī)側(cè)變流器都可能長(zhǎng)期運(yùn)行于較低的頻率，此時(shí)器件結(jié)溫波動(dòng)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(jī)組的可靠運(yùn)行帶來(lái)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(guò)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(jìn)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(gè)壽命周期，功率半導(dǎo)體器件的結(jié)溫水平呈遞增趨勢(shì)，最終導(dǎo)致器件老化失效。

變流器IGBT模塊的失效機(jī)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(guò)反復(fù)的溫度循環(huán)沖擊，它們之間的熱機(jī)械應(yīng)力會(huì)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(huì)削弱功率模塊的導(dǎo)電性能，焊層疲勞會(huì)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(guò)長(zhǎng)時(shí)間功率循環(huán)測(cè)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(guò)程中，由于超聲波振動(dòng)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(guò)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(gè)數(shù)量級(jí)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(wú)需連接傳統(tǒng)的散熱器，并可以同時(shí)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(guò)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(lái)了和其結(jié)構(gòu)相關(guān)的新的失效形式。壓接式IGBT的每個(gè)柵極通過(guò)裝有彈簧的引線連接，彈簧在功率循環(huán)的過(guò)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(guò)一定的循環(huán)次數(shù)，最終也會(huì)老化失效，影響風(fēng)力發(fā)電變流器的運(yùn)行可靠性。

除熱應(yīng)力外，當(dāng)器件在超過(guò)額定電壓或電流工作時(shí)，有可能產(chǎn)生過(guò)電應(yīng)力而造成器件損壞。在過(guò)電應(yīng)力作用下，器件局部將會(huì)過(guò)熱，在該熱點(diǎn)溫度達(dá)到材料熔點(diǎn)時(shí)，材料開始熔化并導(dǎo)致開路或短路故障，從而損毀器件。過(guò)電應(yīng)力可分為過(guò)電壓應(yīng)力和過(guò)電流應(yīng)力，過(guò)電壓包括柵極過(guò)電壓、集電極-發(fā)射極過(guò)電壓及雜散電感過(guò)電壓等，過(guò)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(cè)技術(shù)疲勞壽命評(píng)估方法分析

針對(duì)風(fēng)電變流器可靠性低、維護(hù)成木高的嚴(yán)峻現(xiàn)實(shí)，如何評(píng)估其功率模塊的剩余壽命是進(jìn)行狀態(tài)檢修和運(yùn)行維護(hù)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(jìn)程的壽命模型，如LESIT項(xiàng)目利用不同制造商的IGBT模塊，通過(guò)功率循環(huán)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)器件的失效主要與結(jié)溫平均值,及其波動(dòng)幅值有關(guān)。

提出了自適應(yīng)電流源驅(qū)動(dòng)的概念，系統(tǒng)研究超高頻電流源驅(qū)動(dòng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立電路模型，提出自適應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。提出了適用于超高頻功率系統(tǒng)的電流源驅(qū)動(dòng)電路族，并分析了不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間的區(qū)別。提出了分別適用于主功率開關(guān)管和同步整流開關(guān)管的自適應(yīng)電流源驅(qū)動(dòng)的控制策略，確?？刂齐娏髂軌蚋鶕?jù)不同條件進(jìn)行調(diào)節(jié)?；陔娏髟打?qū)動(dòng)拓?fù)?，開關(guān)損耗和門電路驅(qū)動(dòng)損耗在開關(guān)頻率達(dá)數(shù)MHz時(shí)顯著減少。提出針對(duì)軟開關(guān)全橋變換器諧振驅(qū)動(dòng)方式，降低高頻驅(qū)動(dòng)損耗。發(fā)表各類學(xué)術(shù)論文共21篇，其中在IEEE Transaction Power Electronics上發(fā)表5篇；申請(qǐng)發(fā)明專利3項(xiàng)；培養(yǎng)研究生13名，畢業(yè)2人，4人已完成碩士論文。 2100433B

提出超高頻(> 30MHz)自適應(yīng)電流源驅(qū)動(dòng)的概念。系統(tǒng)研究超高頻電流源驅(qū)動(dòng)的拓?fù)洹⒔?、設(shè)計(jì)優(yōu)化和芯片集成，解決現(xiàn)有電流源驅(qū)動(dòng)技術(shù)不能適應(yīng)超高頻工作的不足，提出適用于超高頻功率系統(tǒng)的電流源電路族，探索其內(nèi)在聯(lián)系和一般規(guī)律；提出分別適用于主功率MOSFET和同步整流MOSFET的自適應(yīng)電流源驅(qū)動(dòng)控制策略，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電壓與驅(qū)動(dòng)電流，在減小高頻驅(qū)動(dòng)損耗的同時(shí)，減少開關(guān)損耗，實(shí)現(xiàn)超高工作頻率和寬范圍內(nèi)高效率。基于上述關(guān)鍵技術(shù)，研究電流源驅(qū)動(dòng)集成的一般方法，研究并提出芯片集成電感的方案，完成電流源驅(qū)動(dòng)芯片樣機(jī)（工作頻率>30MHz）。研究電流源驅(qū)動(dòng)芯片與功率芯片、控制芯片的多芯片集成方法，完成多功率芯片集成系統(tǒng)（工作頻率>150 MHz）。該項(xiàng)目是電力電子和微電子學(xué)科的交叉領(lǐng)域和前沿領(lǐng)域，可以推進(jìn)我國(guó)在功率芯片領(lǐng)域達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，滿足未來(lái)航空航天和國(guó)防軍事中的高性能功率芯片的迫切需要。