MW级风电变流器功率器件的自适应数字驱动研究

课题组按照申请书中所提的研究范围进行了全面的研究，首先我们建立了功率器件的双脉冲实验平台，研究和建立了功率器件的动态模型。在此基础上设计了第一版本的数字驱动板，包含了有源钳位、软关断、变电阻驱动等功能。我们搭建了100kW直驱型风电变流器的模型，并在此模型上验证数字驱动技术，与传统模拟驱动技术进行比较。在以上基础上，课题组和专业公司进行合作，共同开发了终版的数字驱动板。在数字驱动技术基础上，课题组延生研究了新型的功率拓扑技术，最后，在承担的国家电网项目--高压STATCOM上应用了数字驱动技术。 通过本课题的研究，我们培养和正在培养硕士3名，发表了20篇论文，包括5篇SCI检索论文，申请专利7项，并获得2项授权。

功率器件开关过程的电压电流变化率du/dt、di/dt对变流器的效率、EMI等关键问题有着决定性作用。尤其是在MW级风电变流器中，du/dt、di/dt具有更大的变化空间，所以对于它们的控制就显得更加关键。同时，MW级风电变流器的大功率波动特性又使得传统基于模拟开环、模拟闭环驱动的du/dt、di/dt控制策略具有各自的局限性。基于此，本课题提出一种MW级风电变流器功率器件的自适应数字驱动策略。拟将FPGA嵌入驱动电路，用多段数字化方式反馈功率器件寄生电感及通态电阻电压，再结合FPGA内部时钟信号dt，通过FPGA计算实现数字化du/dt、di/dt观测。在此基础上，通过FPGA编程动态选择门极驱动电压、动态分段改变门极电阻来实现闭环驱动。相比于模拟驱动，数字驱动的反馈和控制参数对于MW级风电变流器大容量大功率波动特性具有灵活的自适应性，能够实现更高效率、更低EMI水平的变流器。

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。

提出了自适应电流源驱动的概念，系统研究超高频电流源驱动的拓扑结构，建立电路模型，提出自适应优化设计方法。提出了适用于超高频功率系统的电流源驱动电路族，并分析了不同拓扑结构之间的区别。提出了分别适用于主功率开关管和同步整流开关管的自适应电流源驱动的控制策略，确保控制电流能够根据不同条件进行调节。基于电流源驱动拓扑，开关损耗和门电路驱动损耗在开关频率达数MHz时显著减少。提出针对软开关全桥变换器谐振驱动方式，降低高频驱动损耗。发表各类学术论文共21篇，其中在IEEE Transaction Power Electronics上发表5篇；申请发明专利3项；培养研究生13名，毕业2人，4人已完成硕士论文。 2100433B

提出超高频(> 30MHz)自适应电流源驱动的概念。系统研究超高频电流源驱动的拓扑、建模、设计优化和芯片集成，解决现有电流源驱动技术不能适应超高频工作的不足，提出适用于超高频功率系统的电流源电路族，探索其内在联系和一般规律；提出分别适用于主功率MOSFET和同步整流MOSFET的自适应电流源驱动控制策略，动态调节驱动电压与驱动电流，在减小高频驱动损耗的同时，减少开关损耗，实现超高工作频率和宽范围内高效率。基于上述关键技术，研究电流源驱动集成的一般方法，研究并提出芯片集成电感的方案，完成电流源驱动芯片样机（工作频率>30MHz）。研究电流源驱动芯片与功率芯片、控制芯片的多芯片集成方法，完成多功率芯片集成系统（工作频率>150 MHz）。该项目是电力电子和微电子学科的交叉领域和前沿领域，可以推进我国在功率芯片领域达到国际先进水平，满足未来航空航天和国防军事中的高性能功率芯片的迫切需要。