风力发电机组全功率变流器

《风力发电机组 全功率变流器(第2部分):试验方法(GB/T 25387.2-2010)》由中国标准出版社出版。

适用于海拔1 000 m以上至5 000 m及以下网侧额定电压不超过1 000 VAC、额定频率为50 Hz的高原风力发电机组用全功率变流器。

大功率并网风电变流器状态监测技术老化失效形式及机理

在风电机组的背靠背变流器拓扑结构中，不论是陆上风机或者海上风机，双馈风电机组还是永磁直驭风电机组，由于其机侧变流器都可能长期运行于较低的频率，此时器件结温波动较为显著，严重影响着其功率模块的功率循环能力，给风电机组的可靠运行带来了不可忽视的安全隐患。

如图《风电变流器模块的功率器件结构及材料属性》为目前广泛应用于风力发电变流器的塑封型功率模块剖而图，从图中可以看到其由多种不同热膨胀系数(Coefficient of Thermal Expansion，CTE)的材料组成。在热循环过程中，由于热膨胀系数CTE的不匹配必将导致其疲劳应力增加，从而引起其焊层破裂和焊料层空洞，进而影响到各材料层之间的电气连接，使得沿热传导路径的热阻增加。在整个寿命周期，功率半导体器件的结温水平呈递增趋势，最终导致器件老化失效。

变流器IGBT模块的失效机理主要包括铝键合线脱落、焊层疲劳、键合线根部断裂和铝金属化的重构。其中，金属化的重构现象可由功率模块功率循环后观察到，由于铝与硅芯片热膨胀系数的差异，经过反复的温度循环冲击，它们之间的热机械应力会使得铝金属化而形成颗粒状的粗糙接触而，减小了金属有效接触而积，从而导致其电阻增大 。铝键合线脱落会削弱功率模块的导电性能，焊层疲劳会引起导热性能的下降 。另外，铝键根部断裂现象通常也可在经过长时间功率循环测试的IGBT模块中观察到。导致该失效的主要原因是在焊接过程中，由于超声波振动导致铝键合引线根部产生裂缝，且与铝键合引线脱落相比，其断裂过程更慢。采用新一代的压接式封装技术可避免或者减少使用铝键合线和焊层，有研究表明，IGBT模块的压接式封装结构至少可以减小一个数量级的疲劳寿命损。

此外，该技术也可以把金属基板直接压在半导体芯片上，这种结构无需连接传统的散热器，并可以同时传导热能和电能。与塑封IGBT相比，采用压接式IGBT模块不仅可以通过两侧散热提高功率密度，而且去除了键合引线及焊层连接的结构方式，因此消除了键合引线脱落、断裂或焊料层疲劳的失效模式，器件的可靠性显著提高。然而，这种新的封装形式也带来了和其结构相关的新的失效形式。压接式IGBT的每个栅极通过装有弹簧的引线连接，弹簧在功率循环的过程中受到反复的压缩/膨胀而产生疲劳，引起弹簧应力损伤，经过一定的循环次数，最终也会老化失效，影响风力发电变流器的运行可靠性。

除热应力外，当器件在超过额定电压或电流工作时，有可能产生过电应力而造成器件损坏。在过电应力作用下，器件局部将会过热，在该热点温度达到材料熔点时，材料开始熔化并导致开路或短路故障，从而损毁器件。过电应力可分为过电压应力和过电流应力，过电压包括栅极过电压、集电极-发射极过电压及杂散电感过电压等，过电流包含擎住效应及短路现象等 。

大功率并网风电变流器状态监测技术疲劳寿命评估方法分析

针对风电变流器可靠性低、维护成木高的严峻现实，如何评估其功率模块的剩余寿命是进行状态检修和运行维护的关键。目前已有一些研究提出了用以描述功率模块老化进程的寿命模型，如LESIT项目利用不同制造商的IGBT模块，通过功率循环实验，发现器件的失效主要与结温平均值,及其波动幅值有关。