2016年, 第14卷, 第6期　刊出日期：2016-11-30

  

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电力电子功率器件及系统可靠性专辑
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  电力电子功率器件及系统可靠性专辑特邀主编述评

  周雒维

  电源学报. 2016, 14(6): 1-02.

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  摘要：电力电子装置主要用于功率处理和功率变换，其发展十分迅速。近年来，随着应用在新能源发电、电动汽车等非平稳工况下的电力电子装置的大量投运，电力电子器件及系统的可靠性问题日益突出，可靠性问题成为当下电力电子学科的研究热点之一。 为集中展现电力电子功率器件及系统的状态监测，可靠性评估、管理，失效机理等方面的最新研究成果和进展，电源学报特别推出“电力电子功率器件及系统可靠性”专辑。本专辑征文得到了国内各高校和企业同行的大力支持和积极响应，在电力电子系统可靠性评估， 结温、损耗的估算、测量及其平滑控制, 电力电子器件失效机理及可靠性评估等方面，共录用稿件20篇。本专辑对电力电子功率器件及系统可靠性的后续研究者有较好的参考意义。希望通过本专辑的出版能对力电子功率器件及系统可靠性的研究起到一定的推进作用。
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  含有源功率解耦的单相H桥逆变器综合可靠性评估

  唐君超杰,王浩然,马思源,朱国荣,王怀

  电源学报. 2016, 14(6): 10-16. https://doi.org/TM133

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  为抑制单相H桥变换器系统中直流侧低频纹波，近年来出现了许多功率解耦方法减小或消除DC-Link电容，延长DC-Link寿命，提高其可靠性。然而，由于有源功率解耦引入了额外器件，且原有器件的应力也有所改变，因此，有必要对变换器级的可靠性进行综合评估。基于2 kW的单相H桥逆变器，通过器件级的电-热应力模型、寿命模型、Weibull分布得到器件级可靠性，并基于器件级可靠性，通过可靠性框图（RBD）得到变换器级可靠性，与传统无源解耦逆变器相比较，综合评估带两种不同有源功率解耦的单相H桥逆变器可靠性。
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  基于电-热耦合模型的IGBT模块结温计算方法

  李玲玲,许亚恵,李志刚

  电源学报. 2016, 14(6): 23-28. https://doi.org/TN32

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  温度循环下的疲劳累计损伤是IGBT模块失效的主要原因，计算IGBT模块的结温对预测其寿命具有重要意义。为了研究IGBT模块工作过程中结温变化情况，首先通过计算IGBT和FWD的功率损耗建立了IGBT模块电模型，然后在分析IGBT模块热传导方式的基础上建立了IGBT模块热模型，进而基于电模型和热模型建立了IGBT模块的电-热耦合模型，最后以三相桥式逆变器为例对IGBT和FWD的结温进行了仿真分析。结果表明，由于IGBT和FWD处于开关状态，两者的结温波形均呈波动形状，且波动均值经过短时间上升后稳定于一恒定值，所以逆变器用IGBT模块开始工作后经短时间的热量积累最终达到热稳定状态；由于IGBT的开关损耗比FWD大，使得IGBT结温受开关频率的影响较大。
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  碳化硅MOSFET电热耦合模型及分析

  吕秀婷,谭平安

  电源学报. 2016, 14(6): 29-34. https://doi.org/TM461.5

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  为在Matlab/Simulink环境下准确预测碳化硅SiC（silicon carbide）功率器件在实际工况下的结温变化，针对SiC MOSFET器件提出了一种基于时变温度反馈的电热耦合模型建模方法。该方法能更好地反映SiC MOSFET在导通和开关过程中的性能特点，模型从器件物理分析和工作机理出发，将功率损耗和热网络模块引入建模，实时反馈器件结温和更新温度相关参数。采用CREE C2M0160120D SiC MOSFET器件进行测试，根据制造商数据手册和测试实验中提取，仿真结果证实了该建模方法的正确性，为器件的寿命预测和可靠性评估提供了研究基础。
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  碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管短路特性

  王小浩,王俊,江希,彭志高,李宗鉴,沈征

  电源学报. 2016, 14(6): 53-57. https://doi.org/TN386

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  器件的短路能力对整流器及其故障保护具有极其重要的意义。当器件故障运行时，为避免器件损坏，须在最短的时间内将故障予以切除，而此时器件的最大短路运行时间为系统保护装置提供了有力的时间支持。主要研究了碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（SiC MOSFET）在短路条件下的运行能力，以Cree公司的1 200 V/19 A SiC MOSFET为模型，设计了硬件电路，测试其不同电压等级下的短路电流；并在直流电压等级为600 V的条件下，测试了不同栅极电压、不同温度工况下的短路电流。研究结果表明器件的短路峰值电流随着栅极电压的升高而增大，而其短路运行时间却大幅降低；温度对短路运行时间的影响则相对不甚明显；同时还给出了器件在不同工况下的最大短路运行时间T_sc（max）。
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  SiC MOSFET静态性能及参数温度依赖性的实验分析及与Si IGBT的对比

  马青,冉立,胡博容,曾正,刘清阳

  电源学报. 2016, 14(6): 67-79. https://doi.org/TM46

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  碳化硅SiC（silicon carbide）MOSFET作为新型的电力电子器件，具有不同于Si IGBT的电热特性，且其静态特性在宽温度范围内变化特性并不明确。以SiC MOSFET为研究对象，从器件的工作原理入手，结合Si IGBT对比，分析了其静态特性及寄生参数受温度的影响，并在-55℃至165℃准确测量了包括阈值电压、导通电阻、泄漏电流、输出特性及寄生参数在内的多个参数，实验结果符合理论分析。根据实验结果分析了各项性能参数的温度敏感性，结果表明：SiC MOSFET静态性能及参数与温度具有极强的相关性；与Si IGBT相比，温度依赖性更为明显，并且能够为器件结温测量及SiC MOSFET电力电子系统状态监测提供理论依据与实验基础。
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  气温波动对风电变流器中功率器件寿命消耗的影响

  张军,杜雄,孙鹏菊,周雒维

  电源学报. 2016, 14(6): 80-86. https://doi.org/O472.4

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  风电变流器中功率器件承受的热载荷具有多时间尺度特性，具体可以划分为基频热载荷和低频热载荷，不同时间尺度的热载荷将导致不同的器件寿命消耗，因而需要分别进行评估。气温的随机波动会对热载荷产生影响，因此在进行器件寿命评估时应考虑气温因素。然而现有的寿命评估方法受限于结温计算方法，仅考虑风速的变化而忽略了气温波动对寿命消耗的影响。因此，基于结温数值计算方法，利用Bayer寿命模型，以Lauswersoog和Valkenburg两个风电场2015年的气温和风速数据为基础，评估了计及气温下功率器件的可靠性，分析了气温波动对寿命消耗的影响。结果表明，长期的气温波动会增加器件的寿命消耗，并且气温波动主要影响低频寿命消耗，而对基频寿命消耗基本没影响。
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  开关电源中电解电容寿命预测分析

  俞珊,徐志望,董纪清

  电源学报. 2016, 14(6): 87-92,121. https://doi.org/TM470

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  在开关电源产品中，电解电容是不可或缺的关键储能与电能变换元件。然而，在高纹波电流、高温的功率变换应用场合中，相对于其他电子元器件，电解电容的寿命是最短的。因此，电解电容是制约电源产品使用寿命的关键元件。首先从电解电容的内部结构与失效机理出发，指出温度是影响电解液挥发速率的最重要影响因子，并分别分析环境温度与纹波电流对电解电容使用寿命的影响。最后，以一台240 W高频开关电源样机中PFC母线电解电容为例，通过两种方式测量电容内部温升，测算的电容使用寿命满足产品整机规格要求。
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  功率MOSFET寿命模型综述

  查晓明,刘悦遐,黄萌,刘懿

  电源学报. 2016, 14(6): 108-121. https://doi.org/TM407

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  MOSFET是实现电力电子装置功能的核心器件，但其寿命短是制约电力电子系统可靠性的关键因素。由老化造成的MOSFET失效分为封装失效和参数漂移失效，前者由MOSFET制造工艺及材料导致的缺陷在工作环境中恶化而产生，后者为器件在使用过程中其内部微观退化机制在宏观参数的体现。对目前已有的MOSFET寿命相关的研究成果进行总结，分析了MOSFET的各类失效模式，并建立了各类失效模式下MOSFET寿命模型；并进一步总结了各类失效模式下寿命模型的失效判据及其各类寿命预测模型实验验证方法。
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  基于三相电流残差的功率管多管开路故障诊断

  王亚飞,田子思,葛兴来

  电源学报. 2016, 14(6): 143-152. https://doi.org/TM464

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  牵引逆变器是电力牵引交流传动系统的重要组成部分，它的可靠性直接影响着机车的安全稳定运行，其主电路功率管（IGBT）是最易发生故障的部分。针对IGBT的多管开路故障，提出了一种基于三相电流残差的多管开路故障快速在线诊断方法；通过分析牵引逆变器在正常条件和各开路故障类型下的三相电流，得出了发生多管开路故障情况下的三相电流残差特征；利用控制系统中的电流给定信号重构参考三相电流与实测电流进行运算，并根据三相电流残差特征进行故障定位。最后给出了半实物实验结果，验证了该诊断方法能够快速实现IGBT单管及双管开路故障诊断，且不受闭环控制和负载扰动影响。