CN109521348A - 一种直流断路器用igbt模块的可靠性测试及寿命评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直流断路器用IGBT模块的可靠性测试及寿命评估方法，属于高压直流输电技术领域。该方法：首先，基于高压直流断路器搭建单个IGBT模块的等效大电流冲击试验平台，研究高压直流输电***发生短路故障时断路器转移支路用单个IGBT模块承受的瞬时电压和电流；其次，根据不同实际短路故障工况制定大电流冲击试验方案，利用试验平台进行不同短路故障工况下单个IGBT模块的大电流冲击实验直至器件失效；最后，基于试验所得数据得出不同短路故障工况下IGBT模块的使用寿命与大电流冲击次数之间的关系，实现其可靠性寿命评估。本发明提高了断路器转移支路用IGBT模块寿命评估的准确性。

Description

一种直流断路器用IGBT模块的可靠性测试及寿命评估方法

技术领域

本发明属于高压直流输电技术领域，涉及一种直流断路器用IGBT模块的可靠性测试及寿命评估方法。

背景技术

随着现代电力***对柔性高压直流输电技术和高压直流开关技术的需求增加，高压直流断路器的可靠性和使用寿命受到关注。然而，在高压直流断路器中，因为转移支路用IGBT模块在电力***发生短路故障时会遭受瞬时大电流冲击，容易造成IGBT模块的失效，导致断路器无法及时切除电力***的短路故障电流，降低输电***的安全性和可靠性。虽然断路器转移支路用IGBT模块为常开器件，但是转移支路的IGBT模块对及时切断电力***的短路故障电流是至关重要的。因此，基于不同短路故障工况，研究大电流冲击下IGBT模块使用寿命的评估方法，对高压直流断路器的设计和维修，提高整个高压直流输电***的安全性和可靠性都具有重要的现实意义。

现有针对高压直流断路器可靠性和寿命评估的研究大多侧重于基于统计学的数学分析方法评估断路器的使用寿命，这种评估方法往往无法考虑实际工况中不同短路故障电流对IGBT模块的寿命影响，即忽略了不同短路故障工况对IGBT模块寿命累积疲劳的影响，从而导致断路器的寿命评估结果与实际工况差异较大。

基于上述背景，针对现有方法评估的断路器使用寿命与实际工况差异较大的问题，本发明提出一种直流断路器用IGBT模块的可靠性测试及寿命评估方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种直流断路器用IGBT模块的可靠性测试及寿命评估方法，用于更加全面准确的评估断路器转移支路用IGBT模块的使用寿命和可靠性。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种直流断路器用IGBT模块的可靠性测试及寿命评估方法，具体包括以下步骤：

S1：获取高压直流断路器转移支路中IGBT模块的个数、端部电压和工作电流，等效搭建单个IGBT模块的大电流冲击试验平台，研究电力***不同短路故障工况下断路器转移支路用单个IGBT模块的使用寿命与大电流冲击次数之间的关系；

S2：基于电力***实际短路故障工况制定等效大电流冲击试验方案；

S3：根据大电流冲击试验方案进行单一短路故障工况下的等效大电流冲击试验，监测IGBT模块的漏电流Idss与栅射极间电压V_GE的变化，同一工况进行重复试验直至IGBT模块失效；

S4：根据不同短路故障工况的试验结果得出断路器转移支路用IGBT模块的使用寿命与大电流冲击次数之间的关系，建立IGBT模块故障率与不同短路故障工况大电流冲击次数之间的关系。

进一步，所述步骤S1中，断路器转移支路用IGBT模块的等效大电流冲击试验平台需要获取单个IGBT模块的工作电压U_i和工作电流I_i；

断路器转移支路用单个IGBT模块的工作电压为：

其中，U_i为单个IGBT模块集射极间承受的电压，U_total为高压直流断路器正常工作时母线两端的电压，n为高压直流断路器转移支路用串联IGBT模块的个数；

断路器转移支路用单个IGBT模块通过电流的上升速率为：

其中，i为高压直流输电***发生的短路故障工况，I'_fi为电力***发生短路故障时对应的故障电流上升速率。

进一步，所述步骤S2具体包括：根据电力***实际短路故障工况求解对应的短路电流上升速率I'_fi和关断电流极值I_max，计算出试验电路中的短路电流上升速率I'_i和对应的限流电感数值L_x；限流电感L_x与线路中短路电流上升速率I'_i的关系为：

其中，U为试验电路中的直流电源数值，L为试验电路中的线路电感，是一个固定数值。

进一步，所述步骤S3具体包括：实时监测IGBT模块的栅极和发射极间的电压V_GE且在一定次数的大电流冲击后检测器件集电极和发射极间的漏电流Idss；通过检测器件的V_GE和Idss两个电气参数确定器件的老化程度和剩余寿命，实时掌握器件的健康状态和评估剩余使用寿命，当监测参数比初始值增加5％-20％，即可判定IGBT模块失效。

进一步，所述步骤S4具体包括：根据大电流冲击试验电路搭建短路冲击试验平台，基于短路冲击实验结果得出不同短路故障工况下IGBT模块所能耐受短路大电流冲击的次数，建立断路器转移支路用IGBT模块故障率与大电流冲击次数的关系为：

λ_i＝1/N_i

其中，i为高压直流输电***发生的短路故障工况，N_i为对应短路故障工况下IGBT承受大电流试验冲击至失效的次数，λ_i为第i种短路故障工况下IGBT模块的故障率。

进一步，基于单一故障工况下IGBT模块故障率与大电流冲击次数的关系，得出IGBT模块故障率与不同短路故障工况大电流冲击次数之间的关系为：

λ＝x₁λ₁+x₂λ₂+......+x_iλ_i

其中，λ_i为第i种短路故障工况下IGBT模块对应的故障率，x_i为第i种短路故障工况下IGBT模块遭受的大电流冲击次数，λ为IGBT模块遭受不同的大电流冲击之后总的故障率。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明所述寿命评估方法通过充分考虑不同电力***短路故障对断路器转移支路用IGBT模块的寿命影响，大大提高了断路器转移支路用IGBT模块使用寿命评估的准确性；通过建立单个IGBT模块的等效大电流冲击试验平台，有利于进一步研究整个断路器***的寿命。

(2)通过分别考虑不同电力***短路故障工况对断路器转移支路用IGBT模块的使用寿命影响，得到不同短路故障工况下IGBT模块的使用寿命，形成比较准确的IGBT模块寿命评估方法，可广泛用于高压直流输电工程中断路器转移支路用IGBT模块的寿命评估。

(3)该寿命评估方法不仅考虑了短路故障工况下大电流冲击对IGBT模块使用寿命和可靠性的影响，还考虑了不同短路故障工况的累积疲劳对断路器转移支路用IGBT模块的使用寿命影响。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为断路器转移支路用IGBT模块寿命评估方法流程图；

图2为高压直流断路器拓扑结构图；

图3为单个IGBT模块的等效大电流冲击试验电路图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为断路器转移支路IGBT模块寿命评估的可靠性测试流程图，如图1所示，一种直流断路器用IGBT模块的可靠性测试及寿命评估方法，包括以下步骤：

1)获取高压直流断路器转移支路中IGBT模块的个数、端部电压和工作电流，等效搭建单个IGBT模块的大电流冲击试验平台，研究电力***不同短路故障工况下断路器转移支路用单个IGBT模块的使用寿命与大电流冲击次数之间的关系；

所述断路器转移支路用IGBT模块的等效大电流冲击试验平台通常需要获取单个IGBT模块的工作电压U_i和工作电流I_i。

断路器转移支路用单个IGBT模块的工作电压为：

其中，U_i为单个IGBT模块集射极间承受的电压，U_total为高压直流断路器正常工作时母线两端的电压，n为高压直流断路器转移支路用串联IGBT模块的个数；

断路器转移支路用单个IGBT模块通过电流的上升速率为：

其中，i为高压直流输电***发生的短路故障工况，I'_fi为电力***发生短路故障时对应的故障电流上升速率。高压直流断路器转移支路的拓扑为H桥结构，如附图2所示，I'_i对应断路器转移支路每个桥臂上IGBT模块工作时通过电流的上升速率。

大电流冲击试验电路图如附图3所示，直流电源数值U与等效计算出来的U_i一致，线路电感L为一固定数值，通过改变限流电感L_x的数值来改变电路中线路电流的上升速率，以模拟实际工况下不同短路故障工况时的短路电流上升速率。

2)基于电力***实际短路故障工况制定单个IGBT模块的大电流冲击试验方案；

所述电力***实际短路故障工况设定对应的短路电流上升速率I_fi’和关断电流极值I_max，计算出试验电路中的短路电流上升速率I_i’和对应的限流电感数值L_x；限流电感L_x与线路中短路电流上升速率I_i’的关系为：

3)根据大电流冲击试验方案进行单一短路故障工况下的等效大电流冲击试验，监测IGBT模块的漏电流Idss与栅射极间电压V_GE的变化，同一工况进行重复试验直至IGBT模块失效；

所述IGBT模块的参数状态监测是实时监测IGBT模块的栅极和发射极间的电压Vge和一定次数的大电流冲击后器件集电极和发射极间的漏电流Idss检测。通过检测器件的Vge和Idss两个电气参数确定器件的老化程度和剩余寿命，实时掌握器件的健康状态和剩余使用寿命，当监测参数比初始值增加5％-20％即可判定IGBT模块失效。

4)根据不同短路故障工况的试验结果得出断路器转移支路用IGBT模块的使用寿命与单一短路故障下大电流冲击次数之间的关系，建立IGBT模块使用寿命与不同短路故障工况下大电流冲击次数之间的关系。

所述根据大电流冲击试验电路搭建短路冲击试验平台，基于短路冲击实验结果得出不同短路故障工况下IGBT模块所能耐受的大电流冲击次数，建立断路器转移支路用IGBT模块故障率与单一短路故障工况下大电流冲击次数的关系为：

λ_i＝1/N_i

其中下标i为高压直流输电***发生的短路故障工况，N为对应短路故障工况下IGBT承受大电流试验直至失效的次数，λ为对应i工况下IGBT模块的故障率。

所述基于单一故障工况下IGBT模块故障率与大电流冲击次数的关系，得出IGBT模块故障率与不同短路故障工况大电流冲击次数之间的关系为：

λ＝x₁λ₁+x₂λ₂+......+x_iλ_i

其中，λ_i为第i种短路故障工况下IGBT模块对应的故障率，x_i为第i种短路故障工况下IGBT模块遭受的大电流冲击次数，λ为IGBT模块遭受不同的大电流冲击之后总的故障率。

由上可见，采用本发明提供的一种直流断路器用IGBT模块的可靠性测试及寿命评估方法，不仅能充分考虑短路故障工况下大电流冲击对IGBT器件使用寿命和可靠性的影响，大大提高了断路器转移支路用IGBT模块使用寿命评估的准确性；还考虑了不同短路故障工况的累积疲劳对断路器转移支路用IGBT模块使用寿命的影响，可广泛用于高压直流断路器转移支路用IGBT模块的使用寿命及可靠性评估。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.一种直流断路器用IGBT模块的可靠性测试及寿命评估方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

S1：获取高压直流断路器转移支路中IGBT模块的个数、端部电压和工作电流，等效搭建单个IGBT模块的大电流冲击试验平台，研究电力***不同短路故障工况下断路器转移支路用单个IGBT模块的使用寿命与大电流冲击次数之间的关系；

S2：基于电力***实际短路故障工况制定等效大电流冲击试验方案；

S3：根据大电流冲击试验方案进行单一短路故障工况下的等效大电流冲击试验，监测IGBT模块的漏电流Idss与栅射极间电压V_GE的变化，同一工况进行重复试验直至IGBT模块失效；

S4：根据不同短路故障工况的试验结果得出断路器转移支路用IGBT模块的使用寿命与大电流冲击次数之间的关系，建立IGBT模块故障率与不同短路故障工况大电流冲击次数之间的关系。

2.根据权利要求1所述的直流断路器用IGBT模块的可靠性测试及寿命评估方法，其特征在于，所述步骤S1中，断路器转移支路用IGBT模块的等效大电流冲击试验平台需要获取单个IGBT模块的工作电压U_i和工作电流I_i；

断路器转移支路用单个IGBT模块的工作电压为：

其中，U_i为单个IGBT模块集射极间承受的电压，U_total为高压直流断路器正常工作时母线两端的电压，n为高压直流断路器转移支路用串联IGBT模块的个数；

断路器转移支路用单个IGBT模块通过电流的上升速率为：

其中，i为高压直流输电***发生的短路故障工况，I'_fi为电力***发生短路故障时对应的故障电流上升速率。

3.根据权利要求1所述的直流断路器用IGBT模块的可靠性测试及寿命评估方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：根据电力***实际短路故障工况求解对应的短路电流上升速率I'_fi和关断电流极值I_max，计算出试验电路中的短路电流上升速率I′_i和对应的限流电感数值L_x；限流电感L_x与线路中短路电流上升速率I′_i的关系为：

其中，U为试验电路中的直流电源数值，L为试验电路中的线路电感，是一个固定数值。

4.根据权利要求1所述的直流断路器用IGBT模块的可靠性测试及寿命评估方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：实时监测IGBT模块的栅极和发射极间的电压V_GE且在一定次数的大电流冲击后检测器件集电极和发射极间的漏电流Idss；通过检测器件的V_GE和Idss两个电气参数确定器件的老化程度和剩余寿命，实时掌握器件的健康状态和评估剩余使用寿命，当监测参数比初始值增加5％-20％，即可判定IGBT模块失效。

5.根据权利要求1所述的直流断路器用IGBT模块的可靠性测试及寿命评估方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：根据大电流冲击试验电路搭建短路冲击试验平台，基于短路冲击实验结果得出不同短路故障工况下IGBT模块所能耐受短路大电流冲击的次数，建立断路器转移支路用IGBT模块故障率与大电流冲击次数的关系为：

λ_i＝1/N_i

其中，i为高压直流输电***发生的短路故障工况，N_i为对应短路故障工况下IGBT承受大电流试验冲击至失效的次数，λ_i为第i种短路故障工况下IGBT模块的故障率。

6.根据权利要求5所述的直流断路器用IGBT模块的可靠性测试及寿命评估方法，其特征在于，基于单一故障工况下IGBT模块故障率与大电流冲击次数的关系，得出IGBT模块故障率与不同短路故障工况大电流冲击次数之间的关系为：

λ＝x₁λ₁+x₂λ₂+......+x_iλ_i

其中，λ_i为第i种短路故障工况下IGBT模块对应的故障率，x_i为第i种短路故障工况下IGBT模块遭受的大电流冲击次数，λ为IGBT模块遭受不同的大电流冲击之后总的故障率。