igbt快速功率循环老化试验装置的研究与设计

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1、IGBT快速功率循环老化试验装置的研究与设计重庆大学硕士学位论文（专业学位）学生姓名：刘洪纪指导教师：杜雄教授学位类别：工程硕士（电气工程领域）重庆大学电气工程学院二O一五年五月ResearchandDesignoftheFastPowerCyclingAgingTestBenchforIGBTModulesAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheProfessionalDegreeByLiuHongji

2、SupervisedbyProf.DuXiongSpecialty:ElectricalEngineeringSchoolofElectricalEngineeringofChongqingUniversityChongqing,ChinaMay,2015重庆大学硕士学位论文中文摘要摘要IGBT器件是功率变流器中故障率最高的部件，其可靠性问题严重制约功率变流器的广泛应用。由于IGBT器件的设计寿命一般在20年以上，所以需借助功率循环加速老化试验来加速IGBT的老化进程，以期在较短时间内明确IGBT失效机理，并发现能反映I

3、GBT老化衰退状态的失效预兆特征量和建立寿命评估模型，以便用于后续状态监测、故障诊断和寿命预测等IGBT可靠性方面的研究。功率循环加速老化试验的基本原理是使IGBT结温在大范围内循环波动，然而，不同控制策略的功率循环老化试验得到的IGBT失效机理和失效循环周期相差甚大。另外，由于IGBT器件自身存在的差异性，只有通过对比分析大量IGBT的老化数据，才可获得准确和通用的试验结论。因此，本文皆在设计一台能满足多种老化控制策略，且可同时老化多个IGBT器件的快速功率循环老化试验装置。为实现多个IGBT模块同时老化的试验要求，本

4、文提出为每一个串联待老化IGBT模块加并联可控开关的老化试验方案。该方案不仅适用于恒定结温波动ΔTj、恒定壳温波动ΔTc、固定导通关断时间和恒定加热电流等控制策略下的功率循环加速老化试验，而且只需一台加热电流源便可同时老化多个IGBT模块。文中对每一种控制策略下的试验方案进行了详细的分析，并从主电路电气连接设计、结壳温测量设计、水冷系统设计等三个方面介绍了老化装置硬件部分的设计实现。主电路能同时老化四个IGBT模块，且电气连接部分与水循环部分被支撑板隔开，可避免因漏水造成的电气故障。采用为每个工位配备二位三通电磁水阀的

5、方法，实现了多工位共用一个水泵的水冷系统，有效减小了老化装置体积。为保证老化装置安全可靠运行，文中设计了完善的保护电路。首先从电气连接和水循环系统两方面概况了老化装置运行中可能发生的故障，针对每一种故障确定了相应的保护流程。然后基于老化装置监控系统功能需求和设计原则，设计了由PLC和WinCC上位机组成的二级监控系统；PLC模块化易扩展，编程简单，完全满足老化工位扩展的需求；WinCC上位机界面友好，功能全面，能实时反映老化装置各组成设备当前工作状态。实时采集功率循环老化试验进程中IGBT模块的饱和压降和壳温值，证实设计

6、的功率循环加速老化装置能完成恒定结温波动ΔTj、恒定壳温波动ΔTc等功率循环老化试验，且有良好的准确性和稳定性，基本满足设计目标；该加速老化试验装置目前正在同时对四个IGBT模块老化，长时间全自动化运行良好。关键词：IGBT可靠性，快速功率循环老化试验，加速老化试验装置I重庆大学硕士学位论文英文摘要ABSTRACTAsapartwiththehighestfailurerateinpowerconverters,thereliabilityissueofIGBTmodulesisoneofthekeyfactorsofr

7、estrictingthepowerconverterswidelyused.AsthetypicaldesignlifeofIGBTmodulesisusuallyabove20years,anacceleratedagingtestisneededtocompleteandvalidatetheresearches.Byanacceleratedagingtest,itonlytakesashortoftimetodetermineIGBTfailuremechanism,andfindthecharacterist

8、icparameterswhichcanreflecttheIGBTagingstates.TheseagingparameterscanbeusedfortheIGBTreliabilityresearchesincludingconditionmonitor,faultdiagnosisandlifepredic