基于电热耦合模型和寿命预测的IGBT可靠性评估

帅双旭，熊 炜，彭 月，艾小清，刘玉洁，朱拉沙

（贵州大学 电气工程学院，贵州 贵阳 550025）

0 引言

对直流配电网中的关键设备进行可靠性参数预测是直流配电网可靠性评估的基础环节，电力设备中的功率模块对关键设备的可靠性评估至关重要。根据新能源并网系统故障的一项调查，换流器故障导致的系统故障占13%左右[1]，而作为变换器的核心元件，功率模块失效在变换器故障中占31.3%[2]。可见，功率模块失效影响着电力电子变换器的可靠性，进而影响到整个系统。功率模块中，IGBT、MOSFET、晶闸管、PiN二极管使用率由高至低，分别为 42%，27%，14%和 10%[3]。IGBT具有驱动电路简单，所需功率小，开关频率高且损耗小，对高电压和大电流具有良好耐性。在直流电网中，关键设备如中高压大容量AC-DC换流器、直流变压器以及直流断路器大多采用IGBT开关器件进行设计[4]。由此可见，对 IGBT模块进行可靠性评估，对以其为核心元件的关键设备和直流配电网非常重要。

对IGBT进行可靠性评估常见的两种方法是：基于可靠性手册的评估方法和基于失效机理的可靠性评估方法。目前常用的可靠性手册有美国军用手册MIL-HDBK-217F和法国FIDES GUIDE可靠性手册。器件在稳定失效阶段的失效率被认为是某一恒定值，即器件寿命服从指数分布。通过建立元件在稳定期的恒故障率模型以评估元件的可靠性相关参数。由于电力电子器件的迅速发展，利用可靠性手册进行可靠性建模有较大误差，现今的研究主要是基于失效机理的可靠性评估。……