考虑线路运行环境的牵引变流器IGBT寿命评估

列车在行驶的过程中其自身的运行工况和外界的环境工况都在发生变化。IGBT作为列车变流器的核心器件,列车自身的运行工况会影响变流器的运行工况进而影响IGBT的寿命,环境工况会影响变流器的散热进而影响IGBT的寿命。从牵引计算的角度,考虑速度、加速度、坡度等因素,搭建了电仿真模型;从热计算的角度,考虑变流器散热方式、环境温度等,搭建了热仿真模型。为了让热仿真模型更加贴近实际,基于瞬态双界面法测试了IGBT热参数,并得到当前IGBT的老化程度为6.98%。最终实现了Simulink与PLECS的电热联合仿真,得到了IGBT的损伤度,给出了基于变流器运行工况的IGBT寿命评估流程。

自动驾驶电力机车牵引变流器中IGBT寿命损耗优化策略

作为牵引变流器的核心部件,IGBT模块寿命损耗很大程度上直接决定了牵引变流器全寿命周期成本。为此文中在不影响机车整车输出牵引性能的基础上,提出一种基于电力机车各轴牵引力动态分配的IGBT寿命损耗最优策略,以降低牵引变流器全寿命周期成本。基于牵引电机结构原理与相关现场数据,该方法首先建立IGBT寿命损耗与牵引力及区间速度的量化模型;然后基于上述量化模型与机车自动驾驶系统规划的区间速度及牵引力发挥曲线对不同牵引力分配策略下逆变器IGBT寿命损耗进行实时计算,得出寿命损耗最优的牵引电机功率分配方案,控制机车各轴牵引电机输出。最后,基于HXD1自动驾驶机车现场某区间运行数据,对所提方法进行测试,验证所提方法的有效性。

IGBT集电结局域寿命控制的比较与分析

新型的电场终止型绝缘栅双极晶体管(FS-IGBT)改善了传统穿通型(PT)IGBT性能上的不足,但对于1 200 V以下器件需要超薄片加工。为打破加工技术的限制,用简易的厚片工艺实现薄片性能,可以在集电结附近设置载流子局域寿命控制层(LCLC)来改善器件性能。目前有两种方案:将LCLC区置于集电区内形成内透明集电极IGBT(ITC-IGBT);或置于缓冲层内,形成缓冲层局域寿命控制IGBT。对这两种结构的600 V器件结合具体参数进行了仿真和比较。仿真结果表明,两种结构的器件可实现几近相同的折中特性,但当LCLC区位于缓冲层内时,需要更低的局域寿命,且更易发生通态特性的回跳现象,影响器件性能。因此将LCLC区置于集电区,即形成ITC-IGBT结构是一个更好的选择,为探索用厚片工艺制造高性能IGBT提供了必要的参考。

CRH5型动车组用IGBT器件寿命评估

半实物仿真计算结果表明,CRH5型动车组四象限整流侧IGBT器件寿命长于逆变侧,机车频繁进站会降低IGBT器件寿命。典型线路计算时,最小寿命约为780万km。与寿命相关的测试表明,与全新同型号IGBT器件相比,运行480万km的IGBT器件芯片及DBC焊层超声波扫描未出现分层现象。饱和压降及键合点推力测试表明,键合线根部已经出现裂纹,导致饱和压降平均值比全新增加0.196%,IGBT芯片键合线推力均值由全新的2800 g降低到2400 g,FRD芯片键合线推力均值由全新的2800 g降低到2600 g及2300 g,退化后的测试电学参数均在额定值以内,未达到寿命失效标准。这些研究结果对寿命预测结果进行了初步的验证。

基于神经网络的IGBT模块剩余使用寿命预测模型

对IGBT模块使用寿命进行预测是评估其健康状态和可靠性的有效手段。基于IGBT老化实验测量,构建了包括饱和压降和结温的二维IGBT状态检测指标。对于归一化后的数据,提出了分段处理方法,去除了IGBT键合线断裂引起的较大指标波动。以饱和压降和结温数据为基础,提出了基于BP神经网络算法的IGBT剩余寿命预测模型。针对同样本不同通道、不同实验条件样本等情况,验证了本模型在剩余寿命预测中的准确性。

基于遗传算法优化卷积神经网络的IGBT剩余寿命预测

绝缘栅双极性晶体管(Insulated gate bipolar transistor, IGBT)是一种常用于功率电子设备的半导体器件,在电力变换和驱动系统中有着广泛的应用,其稳定性和可靠性对电力系统和工业应用具有重要意义。传统的基于数据驱动的方法针对不同场景无法做到统一,且其预测过程不够直观。本文提出一种更具普适性且直接预测出剩余寿命的方法,首先对IGBT加速老化时的稳态数据和瞬态数据进行分析,提取出和老化相关的9个特征因素,建立卷积神经网络的IGBT剩余寿命预测模型,并用遗传算法进行优化,以提高预测模型的性能和收敛速度。结果表明,基于遗传算法改进的卷积神经网络预测模型准确率高,误差小,相比于SVR、MLP和CNN网络,更能准确地预测出IGBT的剩余寿命。

CRH5型动车组用IGBT器件寿命评估

半实物仿真计算结果表明,CRH5型动车组四象限整流侧IGBT器件寿命大于逆变侧。典型线路计算时,器件最小寿命约为780万km;进行寿命相关的测试表明,与全新同型号IGBT器件相比,运行480万km的IGBT器件芯片及DBC焊层超声波扫描未出现分层现象;饱和压降及键合点推力测试表明,键合线根部已经出现裂纹,饱和压降平均值比全新器件增加0.196%,IGBT芯片键合线推力均值由全新的2 800 g降低到2 400 g, FRD芯片键合线推力均值由全新的2 800 g降低到2 600 g及2 300 g,退化后的测试电学参数均在额定值以内,未达到寿命失效标准。