功率变流器的可靠性研究现状及展望
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技术 状 态 进行 检 查 鉴定 ，以判 断其 运 转 是 否 正 常 ， 有无 异 常 与劣 化 征 兆 ，或 对 异 常情 况 进 行追 踪 ． 预
基 金项目 ： 国家 自然科学基金 重点项 目（ ５ ｌ １ ３ ７ ０ ０ ６ ） ； 输 配电装备及系 统 安 全 与 新 技 术 国 家 重 点实 验 室 重 点 项 目
可靠 性 是 提 高 变流 器可 靠 性 的 基 础 ， 对延 长设 备 的使 用 寿命 具有 重要 意 义 。 围绕 功 率 变流 器 的 可 靠 性 问题 ， 从 变流 器 的 工作 特 点 出发 分 析 了导 致 其 可 靠 性 不 高的 主 要 原 因 。 首 先 阐 述 了功 率 器件 在 工作 中的 主要 失 效机 理 ： 为 防 止 损 坏设备的故障发生 ， 需要 实 时监 测 变 流 器 的健 康 状 态及 评 估 装 置 的 可 靠 性 ， 文章 总 结 了功 率 器件 的状 态监 测 方 法 及 寿命预测技术 ； 为提 高 变流 器 的运 行 可 靠性 ， 提 出 了 变流 器 状 态控 制 的 概 念 ， 对 各 种 状 态控 制 方 法进 行 了分 类 介 绍 ， 并 分 析 总 结 了现 有 状 态监 测 方 法 、 寿命 预 测模 型及 状 态控 制 方 法 的优 缺 点 ． 最后 根 据 这 些 优 缺 点对 功 率 变 流 器 可 靠
的 可靠性 并不 高【 ｌ 】 。实际上 ， 在 电动汽 车驱 动和 机 车
牵 引 领 域 的 功 率 变 流 装 置 也 面 临 同样 的可 靠 性 问
题 。因而功率 变 流器 的低 可靠 性 现状 与系 统对 其 高
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ２ — １ ２ — ２ ８
பைடு நூலகம்
种能 力 。状 态监 测是 指 对运行 中的 电力 电子 装置 的
摘要 ： 可 再 生 能 源 并 网发 电技 术 的迅 速发 展 ， 对 功 率 变流 装 置 的 可 靠 性 提 出 了更 高要 求 。工 业界 的 调 查表 明 ， 可
再 生 能 源发 电 系统 的故 障很 大一 部 分 原 因可 归咎 于 变流 装 置 的故 障 ， 而 功 率 器件 的 失 效 是 主要 诱 因 。 研 究 功 率 器件
性 研 究 进 行 了展 望 。
关键 词 ： 功 率 变流 器 ； 可 靠性 ； 功 率 器件 ； 状 态监 测 ； 寿命预测 ； 状 态控 制
中图 分 类 号 ： Ｔ Ｍ４ ６ 文献标志码 ： Ａ 文章编号 ： ２ ０ ９ ５ — ２ ８ ０ ５ （ ２ ０ １ ３ ） ０ １ — ０ ０ ０ １ — １ ５
性 既 受 制造 封装 工艺 的影 响 ． 也 受实 际 运行 工况 的
影 响 。本文 所探 讨 的可 靠性 主要 是 指装 置运 行 过程
中的 可靠性 。功率 变流 器 可靠性 研 究 主要 包括 可靠 性评 估 和状 态控 制 两大 方 面 。可 靠性 评 估是 指对 元
件或系统在给定时间间隔 内、 规定条件下 ， 连 续 实
第１ 期
２ ０１ ３年 １月
电
源
学
报
Ｎｏ． １
Ｊ ｏ ｕ ｎａ ｒ ｌ ｏ ｆ Ｐ ｏ ｗｅ ｒ Ｓ ｕ ｐ ｐ ｌ ｙ
Ｊ ａ ｎ ． ２ ０１ ３
功率变流器的可靠性研究现状及展望
周雒 维 ， 吴 军科 ， 杜 雄， 杨珍 贵 ， 毛 娅 婕
（ 重庆 大 学输 配 电装备及 系统安 全 与新技 术 国家重 点 实验 室 ， 重庆 ４ ０ ０ ０ ４ ４ ）
引 言
功 率 变 流 器 是 一类 在机 车 牵 引 、 电 动 汽 车 驱 动、 航空电源、 可 再 生 能源 并 网 发 电 等 工业 领 域 得 到 广泛 应用 的 电力 电子设 备 。处 理功 率 的随 机波 动 性 是 此类 装 置 的一 个 典 型特 点 。 加 上 运行 工 况 的 复 杂性 ， 使 得变 流 装 置 中功 率模 块 承 受不 均 衡 的 电 热 应力 ， 容 易 引起 老化 失 效 等 可 靠 性 问 题 ， 从 而 降 低
可靠 性 要求 构 成 了 矛盾 。因 此 。 功率 变 流 器 的 可靠 性 问题 已成 为 大 功率 变 流 技 术 领 域 一 个 较 为 普 遍 的、 亟 待解 决 的现 实 问题 。
变 流器 的 可靠 性 是 由其 拓 扑 结 构 可 靠 性 和 功
率器 件 本 身的 可靠性 共 同决 定 的 。变流 装 置 的可靠
作， 具 体 包含 变 流 器状 态 监 测 、 故 障诊 断 、 寿命 预 测 等 方 面 的研究 内容 。在 可靠 性 研究 中 ， 通 常采 用 平 均无 故 障时 间来 衡量 装 置 的可靠 性 。平均 无 故 障时 间 是 指设 备 工作 至 故 障 的平 均 时 间 ， 反 映 了产 品 的 时 间质 量 ， 是 体 现 产 品在 规 定 时 间 内保 持功 能 的一
现 其 功 能 的能 力 进 行 分 析 、预计 和 认 定 的系 列 工
变 流器 的可 靠性 。 减 少设备 的使用 寿命 。因此 ， 可 靠
性 问题 是 该 类 装 置 在 实 际应 用 中需 要 关 注 的 重 要
问 题 。在 可 再生 能 源并 网发 电中 。 功率 变 流 器 实 际
上 是一 个 连 接发 电网 和公 用 电 网 的接 口 ， 系 统 要 求 变 流设 备 具 有 和传 统 电力 设 备相 近 的可靠 性 ， 从 而 保证 整个 电网 的安全 可靠 运行 。但 实 际上 由于一 次
能 源 的不 稳 定 和剧 烈波 动 性 ． 可 再 生 能源 发 电系 统
（ ２ ０ ０ ７ Ｄ Ａ１ ０ ５ １ ２ ７ １ １ １ ０ １ ）
测其 劣 化 趋势 ， 从 而确 定 是 否需 要 采取 相 应 的措 施 的活 动 。状 态 监 测 的 目的在 于 防止 故 障 发生 ． 减 少
基 金项目 ： 国家 自然科学基金 重点项 目（ ５ ｌ １ ３ ７ ０ ０ ６ ） ； 输 配电装备及系 统 安 全 与 新 技 术 国 家 重 点实 验 室 重 点 项 目
可靠 性 是 提 高 变流 器可 靠 性 的 基 础 ， 对延 长设 备 的使 用 寿命 具有 重要 意 义 。 围绕 功 率 变流 器 的 可 靠 性 问题 ， 从 变流 器 的 工作 特 点 出发 分 析 了导 致 其 可 靠 性 不 高的 主 要 原 因 。 首 先 阐 述 了功 率 器件 在 工作 中的 主要 失 效机 理 ： 为 防 止 损 坏设备的故障发生 ， 需要 实 时监 测 变 流 器 的健 康 状 态及 评 估 装 置 的 可 靠 性 ， 文章 总 结 了功 率 器件 的状 态监 测 方 法 及 寿命预测技术 ； 为提 高 变流 器 的运 行 可 靠性 ， 提 出 了 变流 器 状 态控 制 的 概 念 ， 对 各 种 状 态控 制 方 法进 行 了分 类 介 绍 ， 并 分 析 总 结 了现 有 状 态监 测 方 法 、 寿命 预 测模 型及 状 态控 制 方 法 的优 缺 点 ． 最后 根 据 这 些 优 缺 点对 功 率 变 流 器 可 靠
的 可靠性 并不 高【 ｌ 】 。实际上 ， 在 电动汽 车驱 动和 机 车
牵 引 领 域 的 功 率 变 流 装 置 也 面 临 同样 的可 靠 性 问
题 。因而功率 变 流器 的低 可靠 性 现状 与系 统对 其 高
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ２ — １ ２ — ２ ８
பைடு நூலகம்
种能 力 。状 态监 测是 指 对运行 中的 电力 电子 装置 的
摘要 ： 可 再 生 能 源 并 网发 电技 术 的迅 速发 展 ， 对 功 率 变流 装 置 的 可 靠 性 提 出 了更 高要 求 。工 业界 的 调 查表 明 ， 可
再 生 能 源发 电 系统 的故 障很 大一 部 分 原 因可 归咎 于 变流 装 置 的故 障 ， 而 功 率 器件 的 失 效 是 主要 诱 因 。 研 究 功 率 器件
性 研 究 进 行 了展 望 。
关键 词 ： 功 率 变流 器 ； 可 靠性 ； 功 率 器件 ； 状 态监 测 ； 寿命预测 ； 状 态控 制
中图 分 类 号 ： Ｔ Ｍ４ ６ 文献标志码 ： Ａ 文章编号 ： ２ ０ ９ ５ — ２ ８ ０ ５ （ ２ ０ １ ３ ） ０ １ — ０ ０ ０ １ — １ ５
性 既 受 制造 封装 工艺 的影 响 ． 也 受实 际 运行 工况 的
影 响 。本文 所探 讨 的可 靠性 主要 是 指装 置运 行 过程
中的 可靠性 。功率 变流 器 可靠性 研 究 主要 包括 可靠 性评 估 和状 态控 制 两大 方 面 。可 靠性 评 估是 指对 元
件或系统在给定时间间隔 内、 规定条件下 ， 连 续 实
第１ 期
２ ０１ ３年 １月
电
源
学
报
Ｎｏ． １
Ｊ ｏ ｕ ｎａ ｒ ｌ ｏ ｆ Ｐ ｏ ｗｅ ｒ Ｓ ｕ ｐ ｐ ｌ ｙ
Ｊ ａ ｎ ． ２ ０１ ３
功率变流器的可靠性研究现状及展望
周雒 维 ， 吴 军科 ， 杜 雄， 杨珍 贵 ， 毛 娅 婕
（ 重庆 大 学输 配 电装备及 系统安 全 与新技 术 国家重 点 实验 室 ， 重庆 ４ ０ ０ ０ ４ ４ ）
引 言
功 率 变 流 器 是 一类 在机 车 牵 引 、 电 动 汽 车 驱 动、 航空电源、 可 再 生 能源 并 网 发 电 等 工业 领 域 得 到 广泛 应用 的 电力 电子设 备 。处 理功 率 的随 机波 动 性 是 此类 装 置 的一 个 典 型特 点 。 加 上 运行 工 况 的 复 杂性 ， 使 得变 流 装 置 中功 率模 块 承 受不 均 衡 的 电 热 应力 ， 容 易 引起 老化 失 效 等 可 靠 性 问 题 ， 从 而 降 低
可靠 性 要求 构 成 了 矛盾 。因 此 。 功率 变 流 器 的 可靠 性 问题 已成 为 大 功率 变 流 技 术 领 域 一 个 较 为 普 遍 的、 亟 待解 决 的现 实 问题 。
变 流器 的 可靠 性 是 由其 拓 扑 结 构 可 靠 性 和 功
率器 件 本 身的 可靠性 共 同决 定 的 。变流 装 置 的可靠
作， 具 体 包含 变 流 器状 态 监 测 、 故 障诊 断 、 寿命 预 测 等 方 面 的研究 内容 。在 可靠 性 研究 中 ， 通 常采 用 平 均无 故 障时 间来 衡量 装 置 的可靠 性 。平均 无 故 障时 间 是 指设 备 工作 至 故 障 的平 均 时 间 ， 反 映 了产 品 的 时 间质 量 ， 是 体 现 产 品在 规 定 时 间 内保 持功 能 的一
现 其 功 能 的能 力 进 行 分 析 、预计 和 认 定 的系 列 工
变 流器 的可 靠性 。 减 少设备 的使用 寿命 。因此 ， 可 靠
性 问题 是 该 类 装 置 在 实 际应 用 中需 要 关 注 的 重 要
问 题 。在 可 再生 能 源并 网发 电中 。 功率 变 流 器 实 际
上 是一 个 连 接发 电网 和公 用 电 网 的接 口 ， 系 统 要 求 变 流设 备 具 有 和传 统 电力 设 备相 近 的可靠 性 ， 从 而 保证 整个 电网 的安全 可靠 运行 。但 实 际上 由于一 次
能 源 的不 稳 定 和剧 烈波 动 性 ． 可 再 生 能源 发 电系 统
（ ２ ０ ０ ７ Ｄ Ａ１ ０ ５ １ ２ ７ １ １ １ ０ １ ）
测其 劣 化 趋势 ， 从 而确 定 是 否需 要 采取 相 应 的措 施 的活 动 。状 态 监 测 的 目的在 于 防止 故 障 发生 ． 减 少