CN109613352B - 变流器中功率模块的寿命测试方法、装置和*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种变流器中功率模块的寿命测试方法、装置和***。该寿命测试方法包括：控制功率模块在预设的过温度压力条件下运行；获得功率模块从运行开始到运行失效历经的总时长；将总时长与寿命加速因子的乘积作为功率模块的运行寿命；其中，预设的过温度压力条件包括：功率模块所处的环境温度在多个温度之间波动，其中多个温度中的至少一个温度高于预设阈值；寿命加速因子的值由预设的过温度压力条件确定。采用本发明实施例能够缩短变流器功率模块寿命测试周期。
Description
技术领域
本发明涉及变流器技术领域，尤其涉及一种变流器中功率模块的寿命测试方法、装置和***。
背景技术
风力发电是新能源中技术最成熟、最具开发规模的可再生能源技术，风电变流器是风力发电机组电能并网的核心部件，开展风电变流器寿命的研究至关重要。变流器寿命测试主要为针对变流器中功率模块的寿命测试，但是，变流器中功率模块的寿命测试具有持续周期长的特点，出于成本和项目进度的考虑，极大限制了寿命测试在风电变流器领域的实施。
发明内容
本发明实施例提供了一种变流器中功率模块的寿命测试方法、装置和***，能够有效缩短变流器功率模块寿命测试的持续周期。
第一方面，本发明实施例提供一种变流器中功率模块的寿命测试方法，该方法包括：
控制功率模块在预设的过温度压力条件下运行；
获得功率模块从运行开始到运行失效历经的总时长；
将总时长与寿命加速因子的乘积作为功率模块的运行寿命；其中，
预设的过温度压力条件包括：功率模块所处的环境温度在多个温度之间波动，其中多个温度中的至少一个温度高于预设阈值；
寿命加速因子的值由预设的过温度压力条件确定。
在第一方面的一种可能的实施方式中，波动为周期性波动。
在第一方面的一种可能的实施方式中，多个温度包括第一温度和第二温度，第一温度高于第二温度；当功率模块在预设的过温度压力条件下运行时，环境温度等于第一温度的时长与环境温度等于第二温度的时长相同。
在第一方面的一种可能的实施方式中，预设的过温度压力条件还包括：在不同的环境温度下，功率模块的运行工况不同。
在第一方面的一种可能的实施方式中，多个温度包括第一温度和第二温度，第一温度高于第二温度；当环境温度为第一温度时，功率模块的输出电流不等于0；当环境温度为第二温度时，功率模块的输出电流等于0。
在第一方面的一种可能的实施方式中，当功率模块采用水冷装置散热时，环境温度指的是水冷装置的进水口处的温度；当功率模块采用风冷装置散热时，环境温度指的是风冷装置的进风口处的温度。
在第一方面的一种可能的实施方式中，在确定寿命加速因子的值时，根据预设的过温度压力条件建立疲劳寿命Coffin-Manson模型，根据Coffin-Manson模型计算寿命加速因子的值。
在第一方面的一种可能的实施方式中，功率模块的数量为两个，在测试过程中两个功率模块交替运行。
本发明实施例提供一种变流器中功率模块的寿命测试装置，该装置包括：
控制处理模块，用于控制功率模块在预设的过温度压力条件下运行；
计时处理模块，用于获得功率模块从运行开始到运行失效历经的总时长；
寿命结果处理模块，用于将总时长与由寿命加速因子的乘积作为功率模块的运行寿命；
其中，预设的过温度压力条件包括：功率模块所处的环境温度在多个温度之间波动，其中多个温度中的至少一个温度高于预设阈值；寿命加速因子的值由预设的过温度压力条件确定。
第三方面，本发明实施例提供一种变流器中功率模块的寿命测试***，其基于如上所述的变流器中功率模块的寿命测试方法，寿命测试***包括：封闭柜体、散热***和主控制器；其中，封闭柜体用于容纳功率模块；散热***与功率模块连接，用于对功率模块散热；主控制器与功率模块以及散热***连接，主控制器用于执行如上所述的变流器中功率模块的寿命测试方法。
在第三方面的一种可能的实施方式中，该寿命测试***还包括变流器控制器，变流器控制器与主控制器通信连接。
在第三方面的一种可能的实施方式中，该寿命测试***还包括电抗器，电抗器与功率模块通过接触器连接；主控制器根据预设的过温度压力条件控制接触器接通或者断开，以使功率模块正常运行或者停止运行。
在第三方面的一种可能的实施方式中，功率模块的数量为两个，接触器的数量为两个，其中，第一功率模块通过第一接触器与电抗器连接，第二功率模块通过第二接触器与电抗器连接；主控制器根据预设的过温度压力条件分别控制第一接触器接通、第二接触器断开，以使第一功率模块正常运行且第二功率模块停止运行；并控制第一接触器断开，第二接触器接通，以使第一功率模块停止运行且第二功率模块正常运行。
在本发明实施例中，为对功率模块进行加速寿命测试，需要控制控制功率模块在预设的过温度压力条件下运行，由于与正常温度压力相比，基于高的温度波动的过温度压力条件能够极大缩短功率模块从运行开始到运行失效历经的时长，因此，采用本发明实施例中的技术方案，能够快速完成变流器功率模块的寿命测试，具有节约成本，避免延误项目进度的优点，有助于推进变流器中功率模块的寿命测试，评估功率模块的使用寿命，及时发现功率模块运行最薄弱的设计点并进行调整。
附图说明
从下面结合附图对本发明的具体实施方式的描述中可以更好地理解本发明，其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征。
图1为本发明实施例提供的功率模块的失效原理图；
图2为本发明实施例提供的变流器中功率模块的寿命测试方法的流程示意图；
图3为本发明实施例提供的对变流器中功率模块进行温度循环测试的参数示意图；
图4为本发明实施例提供的变流器中功率模块的寿命测试装置的结构示意图；
图5为本发明一个实施例提供的变流器中功率模块的寿命测试***的结构示意图；
图6为本发明另一实施例提供的变流器中功率模块的寿命测试***的结构示意图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。
变流器中功率模块主要由绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor，IGBT)、薄膜电容、电抗器、印刷电路板组件(Printed Circuit BoardAssembly，PCBA)包括有源电子器件和无源电子器件等部分组成，本申请的发明人发现：IGBT铜基板的温度波动会造成IGBT内部焊接层的剥离或者出现空洞，增大结壳热阻；薄膜电容的运行寿命规律为芯温每升高10K，寿命降低一倍；硅钢电抗器的绝缘特性会随着温度升高而降低；填充于IGBT模块和散热器之间导热硅脂用于保证IGBT模块和散热器可靠接触，提高散热效率，但高的温度波动、高的持续温度会引起导热硅脂挥发，最终导致散热失效，由此可见，温度对变流器功率模块的运行寿命息息相关。
图1为本发明实施例提供的功率模块的失效原理图。其中，横坐标表示功率模块受到的环境压力(比如，电压压力、温度压力和环境压力等)，F0表正常压力，F1表示过压力阈值，F2表示安全压力阈值，纵坐标表示与环境压力相关的寿命加速因子的倒数。
当功率模块受到的环境压力在F0和F1之间时，失效形式为损耗失效，主要表现为电子元器件的寿命老化导致的变流器失效，其属于后期失效模式。
当功率模块受到的环境压力在F1和F2之间时，失效形式通常为过压力失效，主要是指功率模块所处工况超过了设计的压力，其属于前期失效模式。
在图1中，SA1表示功率模块受到的环境压力为F0，即未对功率模块进行寿命加速处理时的失效分布区域，此时寿命加速因子为1。SA2表示功率模块受到的环境压力为F1，即对未对功率模块进行了寿命加速处理时的失效分布区域，此时寿命加速因子的倒数为1/60，也就是说，若压力为F1时测得的功率模块的运行寿命为100小时，那么功率模块在正常压下的额定运行寿命应计算为100×60＝6000小时。
因此，可以设计实验将功率模块变流器功率模块工作在过压力区域，使功率模块的使用寿命以一定的寿命加速因子降低。
此外，本申请人在对功率模块损耗失效研究发现两种温度失效机制：机制一是高的温度且温度恒定而导致的损耗失效；机制二为高的温度波动压力而导致的损耗失效。由于在风电变流器的实际工况中出现较多的是温度波动的现象，且高的温度波动更易导致半导体模块、散热***和电容等电子器件的失效。
因此，为对功率模块进行加速寿命测试时，可以选择高的温度波动作为过温度压力条件，并控制功率模块所处的环境温度按照预设温度差波动。
基于此，本发明实施例提供了一种变流器中功率模块的寿命测试方法、装置和***，采用本发明实施例中的技术方案，能够有效缩短变流器寿命研究的持续周期，降低试验成本，有助于推进风电变流器功率模块的寿命测试。
图2为本发明实施例提供的变流器中功率模块的寿命测试方法的流程示意图。如图2所示，该寿命测试方法包括步骤101至步骤103。
在步骤101中，控制功率模块在预设的过温度压力条件下运行。
在步骤102中，获得功率模块从运行开始到运行失效历经的总时长。
在步骤103中，将总时长与寿命加速因子的乘积作为功率模块的运行寿命。
其中，寿命加速因子的值由预设的过温度压力条件确定。预设的过温度压力条件包括：功率模块所处的环境温度在多个温度之间波动，其中多个温度中的至少一个温度高于预设阈值，以满足高的温度波动的特征需求。
在本发明实施例中，为对功率模块进行加速寿命测试，需要控制功率模块在预设的过温度压力条件下运行，由于与正常温度压力相比，基于高的温度波动的过温度压力条件能够极大缩短功率模块从运行开始到运行失效历经的时长，因此，采用本发明实施例中的技术方案，能够快速完成变流器功率模块的寿命测试，具有节约成本，避免延误项目进度的优点，有助于推进变流器中功率模块的寿命测试，评估功率模块的使用寿命，及时发现功率模块运行最薄弱的设计点并进行调整。
进一步地，为了简化功率模块加速寿命测试的控制过程，高的温度波动可以为周期性波动，即波动频率和波动幅值为固定的。
在一个可选实施例中，可以设定功率模块所处的环境温度在两个温度之间波动，比如第一温度T1和第二温度T2，T1>T2，且当功率模块在预设的过温度压力条件下运行时，环境温度等于T1的时长与环境温度等于T2的时长相同。
进一步地，在不同的所述环境温度下，功率模块的运行工况不同。比如，当环境温度为T1时，功率模块的输出电流不等于0；当环境温度为T2时，功率模块的输出电流等于0，如此设置，功率模块可以在动态与静态之间不断切换，从而加快功率模块的损耗失效时间。
实际运行时，功率模块安装在封闭柜体内，可以采用水冷装置或者风冷装置对功率模块进行散热，将水冷装置的水路或者风冷装置的风通道与功率模块所在的柜体连通。当功率模块采用水冷装置散热时，环境温度指的是水冷装置的进水口处的温度；当功率模块采用风冷装置散热时，环境温度指的是风冷装置的进风口处的温度。
下面以水冷散热装置为例对功率模块进行温度循环测试时的参数选择进行说明。图3为本发明实施例提供的对变流器中功率模块进行温度循环测试的参数示意图。其中，横轴表示时间，纵轴表示加速因子的倒数，曲线S1表示功率模块的输出电流，曲线S2表示进水口的温度，曲线S3表示柜体温度。
在图3的示例中，一个波动周期为30分钟，在前15分钟内，进水口的温度恒定在80℃，功率模块的输出电流从0升到额定值Io，功率模块处于工作状态，由于进水口温度过高，导致功率模块的散热缓慢；在后15分钟内，进水口水温恒定在20℃，功率模块的输出电流为0，功率模块不工作，由于出水口温度较低，功率模块的累积热量能够顺利散失，并在该波动周期结束后降低至20℃。
需要说明的是，虽然在图3示出的一个波动周期内，共包括两个温度参考值80℃和20℃，且80℃的持续时长和20℃的持续时长相等(为15分钟)，但实际应用中，本领域技术人员可以根据实际需要在一个波动周期内的设置多个温度参考值，例如三个、四个、七个或更多，并分别设置各温度参考值对应的持续时长，此处不做限定。
此外，由于在一个波动周期，功率模块需要在不工作状态下持续一段时间，这种间歇工作方式会导致与功率模块相连的电抗器受到温度循环冲击，加速电抗器的失效，因此，可以同时对两个功率模块展开测试，并将这两个功率模块接入同一电抗器，测试时，可以将电抗器交替接入正在工作的功率模块，从而避免电抗器受到温度循环冲击。
根据本发明的实施例，在确定寿命加速因子的值时，根据预设的过温度压力条件建立疲劳寿命Coffin-Manson模型，根据Coffin-Manson模型计算寿命加速因子的值。下面对本发明实施例引入的加速失效因子的模型进行详细说明。
针对温度压力循环对功率模块进行加速寿命测试时，可以选择简化之后的Coffin-Manson模型(1)：
其中，AFCoff为寿命加速因子；
ΔTtest为加速寿命测试时的实际温度波动差；
ΔToper为加速寿命测试时的预设温度波动差；
Ftest为加速寿命测试时的实际温度波动频率；
Foper为实际温度波动的预设温度波动频率；
E为激活能，与使用材料相关；
R为玻尔兹曼常数，值为0.000086159；
Tmax test为加速寿命测试时的最高绝对温度值；
Tmax oper为加速寿命测试时的实际最高绝对温度，
a、m、E与产品的运行工况、评估产品的材质相关联。
根据公式(1)，可以得到功率模块的实际折合的额定寿命Toper：
Toper＝Ttest×AFCoff (2)
进一步地，在对功率模块进行加速寿命测试时，可以通过增大ΔTtest和Tmax test来缩短测试时间。
图4为本发明实施例提供的变流器中功率模块的寿命测试装置的结构示意图，如图4所示，功率模块的寿命测试装置包括控制处理模块401、计时处理模块402和寿命结果处理模块403。
其中，控制处理模块401用于控制功率模块在预设的过温度压力条件下运行。计时处理模块402用于获得功率模块从运行开始到运行失效历经的总时长。寿命结果处理模块403用于将总时长与寿命加速因子的乘积，作为功率模块的运行寿命。
其中，寿命加速因子的值由预设的过温度压力条件确定，预设的过温度压力条件包括：功率模块所处的环境温度在多个温度之间波动，其中多个温度中的至少一个温度高于预设阈值。
图5为本发明一个实施例提供的变流器中功率模块的寿命测试***的结构示意图，其基于上文所述的变流器中功率模块的寿命测试方法，如图5所示，该寿命测试***包括封闭柜体、散热***503和主控制器504。
其中，封闭柜体用于容纳功率模块，图5中示出了两组功率模块501和502，分别安装在封闭柜体1和封闭柜体2内。
散热***503分别与两组功率模块501和502所属的柜体连通，该散热***可以为水冷装置，也可以为风冷装置。
主控制器504分别与功率模块501和502和散热***503连接，主控制器504执行如上所述的变流器中功率模块的寿命测试方法。
需要说明的是，功率模块可以包括网侧三相功率模块和机侧三相功率模块构成的组合设备，也可以是单一的网侧三相功率模块或者机侧三相功率模块，此处不做限定。
图6为本发明另一实施例提供的变流器中功率模块的寿命测试***的结构示意图，用于展示寿命测试***的具体实现形式，寿命测试***还包括变流器控制器，变流器控制器与主控制器通信连接。
图6中共示出了两组功率模块，每组功率模块包括网侧功率模块、机侧功率模块，两组功率模块对应的变流器控制器分别CPU1和CPU2，CPU1和CPU2作为测试的主体，与PLC主控一起实现测试控制过程。
图6中示出的水温控制***包括水温控制执行***和对应的控制器CPU3。
图6中还示出了电抗器601，电抗器601与两组功率模块分别通过接触器Q1和Q2连接，PLC主控用于根据预设的过温度压力条件分别控制Q1接通、Q2断开，以使封闭柜体1中的功率模块正常运行且使封闭柜体2中的功率模块停止运行；并控制Q1断开，Q2接通，以使封闭柜体1中的功率模块停止运行且封闭柜体2中的功率模块正常运行。
图6中示出的变流器功率模块的负载为星型连接的电抗器，为了防止供电***和负载电抗器出现每个测试周期内温度循环冲击的现象，***中增加了两个接触器Q1和Q2，通过PLC主控控制，实现两组变流器功率模块交替工作，保证测试***的供电电源和测试负载持续工作。
需要说明的是。PLC主控是整个加速寿命测试***的中央处理器，其可以以数据串行方式分别与变流器控制器CPU1、CPU2、水温控制器CPU2进行通信。PLC主控还可以控制功率模块的启动、停止、电抗器的切换、冷却***温度，并可以执行运行数据的存储、运行时间的记录、***报警等功能。
还需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于装置实施例而言，相关之处可以参见方法实施例的说明部分。本发明实施例并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。本领域的技术人员可以在领会本发明实施例的精神之后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
以上所述的结构框图中所示的功能块可以实现为硬件、软件、固件或者它们的组合。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(ASIC)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本发明实施例的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、ROM、闪存、可擦除ROM(EROM)、软盘、CD-ROM、光盘、硬盘、光纤介质、射频(RF)链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。
本发明实施例可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。例如，特定实施例中所描述的算法可以被修改，而***体系结构并不脱离本发明实施例的基本精神。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本发明实施例的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本发明实施例的范围之中。
Claims (12)
1.一种变流器中功率模块的寿命测试方法，其特征在于，包括：
控制所述功率模块在预设的过温度压力条件下运行；
获得所述功率模块从运行开始到运行失效历经的总时长；
将所述总时长与寿命加速因子的乘积作为所述功率模块的运行寿命；其中，
所述预设的过温度压力条件包括：所述功率模块所处的环境温度在多个温度之间波动，其中所述多个温度中的至少一个温度高于预设阈值；
所述寿命加速因子的值由所述预设的过温度压力条件确定；
所述功率模块的数量为两个，两个所述功率模块接入同一电抗器，在测试过程中两个所述功率模块交替运行。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述波动为周期性波动。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个温度包括第一温度和第二温度，所述第一温度高于所述第二温度；当所述功率模块在所述预设的过温度压力条件下运行时，所述环境温度等于所述第一温度的时长与所述环境温度等于所述第二温度的时长相同。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设的过温度压力条件还包括：在不同的所述环境温度下，所述功率模块的运行工况不同。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述多个温度包括第一温度和第二温度，所述第一温度高于所述第二温度；
当所述环境温度为所述第一温度时，所述功率模块的输出电流不等于0；当所述环境温度为所述第二温度时，所述功率模块的输出电流等于0。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
当所述功率模块采用水冷装置散热时，所述环境温度指的是所述水冷装置的进水口处的温度；
当所述功率模块采用风冷装置散热时，所述环境温度指的是所述风冷装置的进风口处的温度。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在确定所述寿命加速因子的值时，根据所述预设的过温度压力条件建立疲劳寿命Coffin-Manson模型，根据所述Coffin-Manson模型计算所述寿命加速因子的值。
8.一种变流器中功率模块的寿命测试装置，其特征在于，包括：
控制处理模块，用于控制所述功率模块在预设的过温度压力条件下运行；
计时处理模块，用于获得所述功率模块从运行开始到运行失效历经的总时长；
寿命结果处理模块，用于将所述总时长与由寿命加速因子的乘积作为所述功率模块的运行寿命；
其中，
所述预设的过温度压力条件包括：所述功率模块所处的环境温度在多个温度之间波动，其中所述多个温度中的至少一个温度高于预设阈值；
所述寿命加速因子的值由所述预设的过温度压力条件确定；
所述功率模块的数量为两个，两个所述功率模块接入同一电抗器，在测试过程中两个所述功率模块交替运行。
9.一种变流器中功率模块的寿命测试***，其特征在于，所述寿命测试***包括：封闭柜体、散热***和主控制器；其中，
所述封闭柜体用于容纳功率模块；
所述散热***与所述功率模块连接，用于对所述功率模块散热；
所述主控制器与所述功率模块以及所述散热***连接，所述主控制器用于执行基于权利要求1-7中任一项所述的变流器中功率模块的寿命测试方法。
10.根据权利要求9所述***，其特征在于，还包括变流器控制器，所述变流器控制器与所述主控制器通信连接。
11.根据权利要求9所述的***，其特征在于，还包括电抗器，所述电抗器与所述功率模块通过接触器连接；
所述主控制器根据所述预设的过温度压力条件控制所述接触器接通或者断开，以使所述功率模块正常运行或者停止运行。
12.根据权利要求11所述的***，其特征在于，
所述功率模块的数量为两个，所述接触器的数量为两个，其中，第一功率模块通过第一接触器与所述电抗器连接，第二功率模块通过第二接触器与所述电抗器连接；
所述主控制器根据所述预设的过温度压力条件分别控制所述第一接触器接通、所述第二接触器断开，以使所述第一功率模块正常运行且所述第二功率模块停止运行；并控制所述第一接触器断开，所述第二接触器接通，以使所述第一功率模块停止运行且所述第二功率模块正常运行。
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