高原風力發(fā)電機組用全功率變流器技術要求起草單位

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

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

馬忠寶、顧偉峰、張東寧等。

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

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

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

如圖《風電變流器模塊的功率器件結構及材料屬性》為目前廣泛應用于風力發(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的不匹配必將導致其疲勞應力增加，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，使得沿熱傳導路徑的熱阻增加。在整個壽命周期，功率半導體器件的結溫水平呈遞增趨勢，最終導致器件老化失效。

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。其中，金屬化的重構現(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，經過反復的溫度循環(huán)沖擊，它們之間的熱機械應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，從而導致其電阻增大 。鋁鍵合線脫落會削弱功率模塊的導電性能，焊層疲勞會引起導熱性能的下降 。另外，鋁鍵根部斷裂現(xiàn)象通常也可在經過長時間功率循環(huán)測試的IGBT模塊中觀察到。導致該失效的主要原因是在焊接過程中，由于超聲波振動導致鋁鍵合引線根部產生裂縫，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構至少可以減小一個數(shù)量級的疲勞壽命損。

此外，該技術也可以把金屬基板直接壓在半導體芯片上，這種結構無需連接傳統(tǒng)的散熱器，并可以同時傳導熱能和電能。與塑封IGBT相比，采用壓接式IGBT模塊不僅可以通過兩側散熱提高功率密度，而且去除了鍵合引線及焊層連接的結構方式，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構相關的新的失效形式。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)的過程中受到反復的壓縮/膨脹而產生疲勞，引起彈簧應力損傷，經過一定的循環(huán)次數(shù)，最終也會老化失效，影響風力發(fā)電變流器的運行可靠性。

除熱應力外，當器件在超過額定電壓或電流工作時，有可能產生過電應力而造成器件損壞。在過電應力作用下，器件局部將會過熱，在該熱點溫度達到材料熔點時，材料開始熔化并導致開路或短路故障，從而損毀器件。過電應力可分為過電壓應力和過電流應力，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及短路現(xiàn)象等 。

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

針對風電變流器可靠性低、維護成木高的嚴峻現(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溫平均值,及其波動幅值有關。