CN111079315A - 低压直流供电换流器寿命评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低压直流供电换流器寿命评估方法，包括：基于双极性PWM线性调制方式，构建低压直流供电换流器的功率模块的实时功率损耗模型包括相互并联的IGBT子模块和二极管子模块；建立所述功率模块热传导模型，以分别计算两个模块的瞬时结温数据T_IGBT和T_diode；基于雨流算法获取所述IGBT子模块的载荷谱数据和所述二极管子模块的载荷谱数据；进而根据Miner线性累计损伤函数计算出所述IGBT子模块的累积损伤度D_IGBT和所述二极管子模块的累积损伤度D_diode；根据寿命模型分别计算所述IGBT子模块和所述二极管子模块的评估寿命时间。本申请提供了一种实时智能准确评估低压直流供电换流器寿命时间的方法，能够有效地避免低压直流供电换流器损坏造成的经济损失。

Description

低压直流供电换流器寿命评估方法

技术领域

本发明涉及电力电子器件可靠性技术领域，特别涉及一种低压直流供电换流器寿命评估方法。

背景技术

低压直流供电技术在电力电子技术飞速发展的今天，在既有的供电系统布局里，因为分布式电源以及开关电源负载的应用，逐渐显现出了其独特的优越性。相比于交流系统，低压直流系统可以减少电路变换环节以降低损耗；降低线路损耗；以及消除谐波污染，提高电能质量。

绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)作为能源变换与传输的核心器件，是低压直流变压器的基本元件，热机械应力是导致IGBT模块疲劳失效的主要原因。工作中，IGBT、二级管(Diode)通态以及开关损耗问题的存在会导致元件在使用上有较高的温度，温度的提升也会导致损耗功率的变化，因此器件将不断地经历着温度循环过程。

在既有的IGBT模块封装失效情况里，焊接层疲劳因素十分常见。在元件使用的过程中，由于功率模块采用多层结构布局，不同分层使用的材料不同，所以导致元件在长期高温作用影响下会出现交变应力，导致材料发生变形，因此在元件使用上，由于应力因素作用，导致芯片以及基板间焊接层会出现裂纹甚至断裂情况。这种情况会增加元件在使用过程中的热阻，最终诱发元件失效情况，而导致低压直流供电系统出现异常，影响供电质量甚至造成不必要的经济损失。

发明内容

基于此，有必要针对上述背景技术中的技术问题，提供一种能够自动评估低压直流供电换流器寿命时间而提前预估低压直流供电换流器失效的时间，以预防低压直流供电换流器失效造成不良影响和/或经济损失的低压直流供电换流器寿命评估方法。

本申请提供一种低压直流供电换流器寿命评估方法，包括：

基于双极性PWM线性调制方式构建低压直流供电换流器的功率模块的功率损耗模型P，所述功率损耗模型P为IGBT子模块的功率损耗模型P_IGBT和二极管子模块的功率损耗模型P_diode之和；

分别建立所述IGBT子模块和所述二极管子模块的热传导模型，以计算所述IGBT子模块的瞬时结温数据T_IGBT和所述二极管子模块的瞬时结温数据T_diode；

基于雨流算法分别对所述IGBT子模块的瞬时结温数据T_IGBT和所述二极管子模块的瞬时结温数据T_diode统计分析，以分别获取所述IGBT子模块的载荷谱数据和所述二极管子模块的载荷谱数据；

基于所述IGBT子模块的载荷谱数据和所述二极管子模块的载荷谱数据，根据Miner线性累计损伤函数计算出所述IGBT子模块的累积损伤度D_IGBT和所述二极管子模块的累积损伤度D_diode；

基于所述IGBT子模块的累积损伤度D_IGBT、所述二极管子模块的累积损伤度D_diode、所述IGBT子模块的瞬时结温数据T_IGBT和所述二极管子模块的瞬时结温数据T_diode，根据阿伦尼斯寿命模型评估低压直流供电换流器的寿命时间。

于上述实施例中的低压直流供电换流器寿命评估方法中，将低压直流供电换流器等效为相互并联的IGBT子模块和二极管子模块，基于双极性PWM线性调制方式分别构建低压直流供电换流器在实际运行条件下的一个基频周期内的实时功率损耗模型P_diode，进一步建立低压直流供电换流器功率模块热传导模型，计算所述IGBT子模块的瞬时结温数据T_IGBT和所述二极管子模块的瞬时结温数据T_diode，以分别获取所述IGBT子模块的载荷谱数据和所述二极管子模块的载荷谱数据；基于所述IGBT子模块的载荷谱数据和所述二极管子模块的载荷谱数据，根据Miner线性累计损伤函数计算出所述IGBT子模块的累积损伤度D_IGBT和所述二极管子模块的累积损伤度D_diode；进而根据获取的所述IGBT子模块的累积损伤度D_IGBT、所述二极管子模块的累积损伤度D_diode、所述IGBT子模块的瞬时结温数据T_IGBT和所述二极管子模块的瞬时结温数据T_diode，利用寿命模型分别计算所述IGBT子模块和所述二极管子模块的评估寿命时间。本申请提供了一种实时智能准确评估低压直流供电换流器寿命时间的方法，以提前预估低压直流供电换流器的失效时间，能够有效地避免低压直流供电换流器损坏造成的经济损失。

在其中一个实施例中，所述IGBT子模块的功率损耗模型P_IGBT为IGBT子模块通态损耗模型P_t-IGBT、IGBT子模块开通功率损耗模型P_on-IGBT与IGBT子模块关断功率损耗模型P_off-IGBT的和；

所述二极管子模块的功率损耗模型P_diode为二极管子模块通态损耗模型P_t-diode与二极管子模块关断功率损耗模型P_off-diode之和。

在其中一个实施例中，

所述IGBT子模块通态损耗模型P_t-IGBT根据以下公式计算：

P_t-IGBT＝i_c·(V_ce-25℃+K_V-t(T_j-t-25℃))·δ(t)+i_c ²·(_rce-25℃+K_r-t(T_j-t-25℃))·δ(t)；

所述IGBT子模块开通功率损耗模型P_on-IGBT根据以下公式计算：

所述IGBT子模块关断功率损耗模型P_off-IGBT为：

所述二极管子模块通态损耗模型P_t-diode根据以下公式计算：

P_t-diode＝i_c·(V_F-25℃+K_V-d(T_j-d-25℃))·[1-δ(t)]+i_c ²·(r_F-25℃+K_r-d(T_j-d-25℃))·[1-δ(t)]；

所述二极管子模块关断功率损耗模型P_off-diode根据以下公式计算：

其中，T_sw为载波周期，i_c为负载电流，V_ce-25℃和r_ce-25℃分别为25摄氏度下IGBT的门槛压降和导通电阻，K_v-t和K_r-t分别为IGBT的门槛压降和导通电阻的温度系数，T_j-t为IGBT的实际结温；f_sw为载波频率，V_dc直流端电压，V_{dc_ref}为参考电压，

为IGBT开通能量损耗，

为IGBT关断能量损耗，

为二极管反向恢复能量损耗，T_j为结温，Rg为栅极电阻；N_{v_IGBT}为1.3-1.4之间的系数数值，N_{v_diode}为二极管的开通能量损耗系数取值为0.6；TC_sw-IGBT为IGBT的关断能量损耗系数取值为0.003；TC_sw-diode为二极管的关断能量损耗系数取值为0.006；K_R-on(R_g)为IGBT开通时栅极电阻对应的损耗影响系数，K_R-off(R_g)为IGBT关断时栅极电阻对应的损耗影响系数，K_R-diode(R_g)为二极管的栅极电阻对应的开关损耗影响系数，V_F-25℃和r_F-25℃分别为25摄氏度下二极管的门槛压降和导通电阻，K_V-d和K_r-d分别为二极管的门槛压降和导通电阻的温度系数，T_j-d为二极管的实际结温，

为二极管的关断能量损耗，δ(t)为占空比。

在其中一个实施例中，所述分别建立所述IGBT子模块和所述二极管子模块的热传导模型包括：

基于等效RC热网络模型建立所述IGBT子模块和所述二极管子模块的热传导模型，所述等效RC热网络模型包括梯形网(Cauer)模型和福斯特串联网络(Foster)模型。

在其中一个实施例中，采用三阶福斯特串联网络模型(Cauer)分别建立所述IGBT子模块和所述二极管子模块的热传导模型。

在其中一个实施例中，所述IGBT子模块的载荷谱数据包括第IGBT子模块的第i个结温数据的循环结温波动ΔT_i-IGBT、平均结温T_m-IGBT、循环次数n_i-IGBT和循环耗时p_i-IGBT；

所述二极管子模块的载荷谱数据包括二极管子模块的第i个结温数据的循环结温波动ΔT_i-diode、平均结温T_m-diode、循环次数n_i-diode和循环耗时p_i-diode。

在其中一个实施例中，所述低压直流供电换流器寿命评估方法包括：

基于所述IGBT子模块的载荷谱数据和所述二极管子模块的载荷谱数据，采用阿伦尼斯(Arrhenius)寿命模型分别计算所述IGBT子模块和所述二极管子模块分别承受的温度冲击循环次数N_f-IGBT,i和N_f-diode,i：

其中，E_a为激活能取值为1.95×10⁴，k_B为波尔兹曼常数取值为8.314，A与α为模型参数，A＝5，α＝-3，ΔT_i-IGBT和T_m-IGBT，i分别为IGBT子模块的第i个结温数据的循环结温波动数据和平均结温数据，ΔT_i-diode和T_m-diode，i分别为所述二极管子模块的第i个结温数据的循环结温波动数据和平均结温数据。

在其中一个实施例中，所述低压直流供电换流器寿命评估方法包括：

基于所述IGBT子模块的第i个结温数据的循环次数n_i-IGBT与所述温度冲击循环次数N_f-IGBT，i计算所述IGBT子模块的累积损伤度D_IGBT，其中，k为IGBT子模块的结温数据的数量：

基于所述二极管子模块的第i个结温数据的循环次数n_i-IGBT与所述温度冲击循环次数N_f-diode,i计算所述二极管子模块的累积损伤度D_diode，其中，k为二极管子模块的结温数据的数量：

在其中一个实施例中，于所述低压直流供电换流器寿命评估方法中，当所述IGBT子模块的累积损伤度D_IGBT的增加值为0.05时，热阻数值增加，增加量为初始热阻数值的1％。

在其中一个实施例中，于所述低压直流供电换流器寿命评估方法中，当D_IGBT＝1时，计算所述IGBT子模块的各结温冲击循环次数N_f-IGBT，i的耗时p_i-IGBT；

当D_diode＝1时，计算所述二极管子模块的各结温冲击循环次数N_f-IGBT，i的耗时p_i-diode；

基于函数min(p_i-IGBT,p_i-diode)获取所述低压直流供电换流器的评估寿命时间。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。

图1为本申请一个实施例中提供的一种低压直流供电换流器的实时功率损耗模型示意图。

图2为本申请一个实施例中提供的一种低压直流供电换流器寿命评估方法的流程图。

图3为IGBT的输出特性曲线。

图4为本申请另一个实施例中提供的低压直流换流器两电平PWM控制的电路示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。

在使用本文中描述的“包括”、“具有”、和“包含”的情况下，除非使用了明确的限定用语，例如“仅”、“由……组成”等，否则还可以添加另一部件。除非相反地提及，否则单数形式的术语可以包括复数形式，并不能理解为其数量为一个。

在低压直流供电换流器实际工作的过程中，其损耗一方面来IGBT模块的工作损耗，另一方面源自二极管(Diode)的工作损耗。可以将低压直流供电换流器等效为相互并联的IGBT子模块和二极管子模块，如图1中所示，将低压直流供电换流器的功率模块的实时功率损耗模型100等效为相互并联的IGBT子模块10和二极管子模块20。

如图2所示，在本申请的一个实施例中提供的低压直流供电换流器寿命评估方法中包括：

步骤202：基于双极性PWM线性调制方式构建低压直流供电换流器的功率模块的实时功率损耗模型P，所述功率损耗模型P为IGBT子模块的功率损耗模型P_IGBT和二极管子模块的功率损耗模型P_diode之和，即表示所述功率损耗为IGBT子模块的功率损耗和二极管子模块的功率损耗之和。

对于IGBT子模块的工作损耗而言，包括开通、关断、通态、截止等不同阶段的损耗。

对于IGBT子模块而言，截止损耗占比非常小，可以忽略不计，故IGBT子模块的功率损耗模型P_IGBT为：

P_IGBT＝P_t-IGBT+P_on-IGBT+P_off-IGBT

其中，P_t-IGBT是IGBT子模块的通态损耗，P_on-IGBT是IGBT子模块的开通损耗，P_off-IGBT是IGBT子模块的关断损耗。

对于二极管子模块而言，其中开通损耗和截止损耗占比很小，可忽略不计，故二极管子模块的功率损耗模型P_diode为：

P_diode＝P_t-diode+P_off-diode

其中，P_t-diode是二极管子模块的通态损耗，P_off-diode是二极管子模块的关断损耗。

当IGBT子模块采用双极性PWM线性调制方式时，调制度m的取值范围为[0，1]，设负载为阻感性负载，直流端电压为V_dc。，交流输出电压的幅值为V_max，则调制度m可以用以下公式计算：

设调制波u_r为正弦波：

u_r＝m·sin(ωt+φ)

于上式中，相位角φ表示交流电压与电流基波之间的相位差，在恒定开关频率的情况下，不考虑死区时间，占空比δ(t)可以表示可以用以下公式计算：

记在一个载波周期T_sw内，在δ·T_sw的时间周期内流过IGBT子模块的负载电流为i_c，负载电流为i_c在剩下的(1-δ)·T_sw的时间周期内流经与IGBT子模块并联的二极管子模块，则在一个开关周期T_sw中，IGBT的通态能量损耗E_t-IGBT可以用以下公式计算：

由于功率模块开关频率很高，在一个开关周期T_sw的开通时间δ·T_sw内其负载电流i_c的变化很小，并且由于感性负载的时间常数L/R远大于PWM波的开关周期T_sw，因此，可以忽略负载电流的波动，可以认为在一个开关周期T_sw的开通时间δ·T_sw内，负载电流是恒定不变的，在调制波前半周期内负载电流随着所在载波周期不同而不断按照调制波的波形变化而变化，在第k个载波周期内的IGBT子模块的通态能量损耗E_t-IGBT可以用以下公式计算：

E_t-IGBT＝V_ce·i_c·δ_k·T_sw

则IGBT子模块在该载波周期中的平均通态功率损耗P_t-IGBT可以用以下公式计算：

同理，在一个开关周期T_sw的时间内，二极管子模块的平均功率损耗P_t-diode可以用以下公式计算：

P_t-diode＝i_c·V_F·(1-δ_k)

由IGBT和二极管的输出特性曲线可知，IGBT和二极管的通态压降V_ce和V_F均受结温影响，以IGBT为例，可以通过对其门槛压降V_ceo叠加阻值为r_ce的导通电阻后求其两端的电压V_ce可以用以下公式计算：

V_ce＝V_ceo+i_c·r_ce

门槛压降V_ceo由IGBT内部P-N结形成，不随电流变化而改变，但受温度影响。导通电阻r_ce也会随温度的升高而近似呈线性变化，即：

V_ceo＝V_ce-25℃+K_V-t(T_j-t-25℃)

r_ce＝r_ce-25℃+K_r-t(T_j-t-25℃)

其中V_ce-25℃和r_ce-25℃分别为25摄氏度下的IGBT的门槛压降和导通电阻，K_V-t和K_r-t分别为IGBT的门槛压降和导通电阻的温度系数，T_j-t为IGBT的实际结温。

综上可得IGBT的通态压降V_ce可以用以下公式计算：

V_ce＝[V_ce-25℃+K_V-t(T_j-t-25℃)]+i_c·[r_ce-25℃+K_r-t(T_j-t-25℃)]

同理可得二极管的通态压降V_F可以用以下公式计算：

V_F＝[V_F-25℃+K_V-d(T_j-d-25℃)]+i_c[r_F-25℃+K_r-d(T_j-d-25℃)]

因此，可得IGBT的通态损耗模型P_t-IGBT和二极管的通态损耗模型P_t-diode分别可以用以下公式计算：

P_t-IGBT＝i_c·(V_ce-25℃+K_V-t(T_j-t-25℃))·δ(t)+i_c ²·(r_ce-25℃+K_r-t(T_j-t-25℃))·δ(t)

P_t-diode＝i_c·(V_F-25℃+K_V-d(T_j-d-25℃))·[1-δ(t)]+i_c ²·(r_F-25℃+K_r-d(T_j-d-25℃))·[1-δ(t)]

开关损耗指器件在开通和关断过程中产生的损耗，由于开关周期短暂、开关过程复杂，并且受结温等多种因素的影响，使得开关损耗很难精确计算。可以采用器件手册提供的E_sw-i_c特性曲线建立能量损耗查阅表方法来计算开关损耗，同时考虑直流端电压、结温和栅极电阻等多种因素对开关损耗的影响，以减小误差。如前所述，感性负载的时间常数L/R远大于PWM波的载波周期T_sw，认为在开关周期T_sw的开通时间δ·T_sw内负载电流i_c恒定不变。图3中示意IGBT的输出特性曲线，例如，通过IGBT的E_sw-i_c特性曲线可以查阅IGBT开关周期中的开通和关断能量损耗：

于上式中，E_sw是器件开关能量损耗，所述能量损耗包括IGBT开通与关断能量损耗以及二极管反向恢能量损耗，这些能量损耗受到负载电流i_c、结温T_j、栅极电阻R_g以及直流电压V_dc的影响。

由上述内容可知，IGBT在一个开关周期内开通功率损耗P_on-IGBT为：

其中：

栅极电阻对应的开关损耗影响系数K_R(R_g)可通过器件手册中E_sw-R_g特性曲线查阅而得，T_j为结温，V_dc直流端电压，V_{dc_ref}为参考电压，TC_sw和N_v为系数。

在PWM控制方式下，IGBT子模块的开关损耗和二极管的开关损耗可以分别用如下公式描述：

于上式中，f_sw为载波频率，V_dc直流端电压，V_{dc_ref}为参考电压；N_v和TC_sw为系数，取自经验值，IGBT的系数N_{v_IGBT}为IGBT的开通能量损耗系数取值为[1.3，1.4]，二极管的开通能量损耗系数为N_{v_diode}取0.6；IGBT的关断能量损耗系数为TC_sw-IGBT取0.003；二极管的关断能量损耗系数为TC_sw-diode取0.006，K_R-on(R_g)为IGBT开通时栅极电阻对应的损耗影响系数，K_R-off(R_g)为IGBT关断时栅极电阻对应的损耗影响系数，K_R-diode(R_g)为二极管的栅极电阻对应的开关损耗影响系数，

为IGBT开通能量损耗，

为IGBT关断能量损耗，

为二极管反向恢复能量损耗，T_j为结温，R_g为栅极电阻。

实际应用时只需将模块运行参数，例如是电流、占空比和温度，代入以上模型便可计算出模块的实时功率损耗。

步骤204：分别建立所述IGBT子模块和所述二极管子模块的热传导模型，以计算所述IGBT子模块的瞬时结温数据T_IGBT和所述二极管子模块的瞬时结温数据T_diode。

由传热学理论可知，热量的传递有三种基本形式：传导、对流和辐射。IGBT器件的发热源是其IGBT和二极管芯片，需要通过管壳以及散热器将热量发散到周围环境中。IGBT器件内部各层材料之间存在着热量的传导，而器件的外表面与外部周围环境之间存在热量的对流和辐射散热。可以作如下合理的简化和假设：只考虑占主导作用的器件内部的热传导，忽略热辐射和对流效应，同时假设散热器外部环境温度不变。因此，器件在工作期间产生的功率损耗以热量的形式表示存在，其热传导问题可以用一维傅里叶方程表示为：

于上式中，q代表热流密度；k代表热导率；A代表垂直于热流方向的截面面积。

从上述热传导的傅里叶方程可以看出，热传导与电流经过导体的欧姆定律相似，因此可以定义热阻为：

热阻R_th定义为在热平衡条件下，两规定点间的温度差△T与产生这两点温度差的耗散功率P之比，单位为℃/W。IGBT主要以热阻、热容表征本身的热学特性，热阻是表征器件静态散热能力的一个物理量，也是热分析中最常用的评价参数。根据散热途径，一般将从芯片内部到表壳的热阻称为内热组R_jc；从表壳到内部散热器的热阻记为接触热阻R_cs；散热器到环境的热阻记为R_sa。总热阻是由各段材料的热阻串联而成，可以表示为：

R_ja＝R_jc+R_cs+R_sa

类似地，对于体积为V，比热容为C，密度为ρ的导热材料，定义其热容C_th为：

C_th＝ρ·C·V

热容相当于电路中的电容，在热量传导中的瞬态过程中，可以通过热阻对热容充热来描述，单位为J/℃。

由电-热比拟理论可知，热模型将器件的热特性用等效电路来表示，热模型建模可以分为解析模型法、数值模型法和实验提取等效RC热网络模型法，其中等效RC热网络模型可以分为Cauer模型和Foster模型。在本实施例中，可以采用三阶Cauer模型建立热模型，Cauer模型具有与实际物理层对应的特点。相应模型初步参数可以通过功率模块生产厂商获取，再通过仿真模拟修正使用。

将IGBT子模块功率损耗模型的计算结果P_IGBT和P_diode代入热传导模型，便能根据等效热路计算出IGBT和二级管的结温。此时将结温作为计算功率损耗的参数反馈到功率损耗模型中，用于修正低压直流供电换流器的实时功率损耗模型的电气参数，便可得出所述实时功率损耗模型的结温-时间曲线。

步骤206：基于雨流算法分别对所述IGBT子模块的瞬时结温数据T_IGBT和所述二极管子模块的瞬时结温数据T_diode统计分析，以分别获取所述IGBT子模块的载荷谱数据和所述二极管子模块的载荷谱数据。

使用雨流算法对上述功率模块的结温-时间曲线进行统计计数，统计出IGBT子模块的载荷谱数据，包括第IGBT子模块的第i个结温数据的循环结温波动ΔT_i-IGBT、平均结温T_m-IGBT和循环次数n_i-IGBT和循环耗时p_i-IGBT；以及统计出二极管子模块的载荷谱数据，包括二极管子模块的第i个结温数据的循环结温波动ΔT_i-diode、平均结温T_m-diode和循环次数n_i-diode和循环耗时p_i-diode。

步骤208：基于所述IGBT子模块的载荷谱数据和所述二极管子模块的载荷谱数据，根据Miner线性累计损伤函数计算出所述IGBT子模块的累积损伤度D_IGBT和所述二极管子模块的累积损伤度D_diode。

基于所述IGBT子模块的载荷谱数据和所述二极管子模块的载荷谱数据，采用经典Arrhenius寿命模型分别计算所述IGBT子模块和所述二极管子模块分别承受的温度冲击循环次数N_f-IGBT,i和N_f-diode,i：

其中，E_a为激活能取值1.95×10⁴，k_B为波尔兹曼常数取值8.314，A与α为模型参数，A＝5，α＝-3，ΔT_i-IGBT和T_m-IGBT，i分别为IGBT子模块的第i个结温数据的循环结温波动数据和平均结温数据，ΔT_i-diode和T_m-diode，i分别为二极管子模块的第i个结温数据的循环结温波动数据和平均结温数据。

步骤2010：基于所述IGBT子模块的累积损伤度D_IGBT、所述二极管子模块的累积损伤度D_diode、所述IGBT子模块的瞬时结温数据T_IGBT和所述二极管子模块的瞬时结温数据T_diode，根据阿伦尼斯寿命模型评估低压直流供电换流器的寿命时间。

同时，可根据Miner线性累积损伤理论结合以上数据(N_f,i、n_i)计算IGBT器件的损伤程度D_IGBT，具体如下：

以单一元器件为例，若在某恒幅值应力S作用下，循环至疲劳失效的寿命为N_f，则可以定义在该恒幅值应力S作用下该结构经受一个比N小的n次应力循环时，将产生疲劳损伤，该元件的累积损伤度D为：

若在某恒幅值应力S作用下，如果n＝0，则D＝0，即意味着该元件未受疲劳损伤；如果n＝N，则D＝1，认为该元件发生疲劳失效。

若元件在应力S_i作用下，那么经受n_i次循环的累积损伤度D_i为：

若在k个应力S_i作用下，各经受n_i次循环，可得到元件的总损伤度D为：

基于所述IGBT子模块的第i个结温数据的循环次数n_i-IGBT与所述温度冲击循环次数N_f-IGBT，i计算所述IGBT子模块的累积损伤度D_IGBT，其中，k为IGBT子模块的结温数据的数量：

基于所述二极管子模块的第i个结温数据的循环次数n_i-IGBT与所述温度冲击循环次数N_f-diode,i计算所述二极管子模块的累积损伤度D_diode，其中，k为二极管子模块的结温数据的数量：

因此，可以用D_IGBT＝1作为IGBT子模块的疲劳失效判据；类似地，可以用D_diode＝1作为二极管子模块的疲劳失效判据。

进一步地，在本申请的一个实施例中提供的一种低压直流供电换流器寿命评估方法中，当D_IGBT＝1时，计算IGBT子模块的各结温冲击循环次数N_f-IGBT，i的耗时p_i-IGBT；当D_diode＝1时的二极管子模块的各结温冲击循环次数N_f-IGBT，i的耗时p_i-diode；利用min(p_i-IGBT,p_i-diode)获取p_i-IGBT和p_i-diode中数值较小的一个作为低压直流供电换流器的评估寿命时间。

进一步地，在本申请的一个实施例中提供的一种低压直流供电换流器寿命评估方法中，可以实时将雨流算法统计出来的载荷谱数据代入Miner线性累计损伤函数计算累积损伤度D，每当ΔD＝0.05时，热阻增加，增加数值为最初始热阻值的1％，当D＝1时，热阻增大达到20％，为元件老化失效的标准。由于两电平VSC拓扑结构图可以由多个IGBT子模块和多个二极管子模块组合而成的，如图4中所示的拓扑结构中，上下左右对称，所以每个IGBT模块的结温波动和平均结温都是相同的，所以在进行换流器的寿命预测时，只需计算出其中一个低压直流供电换流器模块100的寿命即可得到结果。在本实施例中，统计所有循环的耗时总和，分别以IGBT和二极管的损伤度D_IGBT和D_diode是否为1作为损伤判定依据，计算当D_IGBT＝1和D_diode＝1时的循环耗时总和，利用min函数求得计算获取的循环耗时总和中数值较小的一个作为低压直流供电换流器的评估寿命时间。

于上述实施例中，以使用英飞凌公司IGBT模块FF650R17IE4的10kV/2MVA双极性PWM线性调制方式低压直流供电换流器为分析对象，利用本申请实施例中所述的低压直流供电换流器寿命评估方法计算出：IGBT寿命为65.9年，二极管寿命为14.8年，因此，该换流器寿命为14.8年，薄弱环节为二极管。

于上述实施例中的低压直流供电换流器寿命评估方法中，将低压直流供电换流器等效为相互并联的IGBT子模块和二极管子模块，基于双极性PWM线性调制方式分别构建低压直流供电换流器的实际运行条件下的，一个基频周期内所述IGBT子模块的功率损耗模型P_IGBT和所述二极管子模块的功率损耗模型P_diode，进一步建立低压直流供电换流器功率模块热传导模型，以计算所述IGBT子模块的瞬时结温数据T_IGBT和所述二极管子模块的瞬时结温数据T_diode；基于所述IGBT子模块的载荷谱数据和所述二极管子模块的载荷谱数据，根据Miner线性累计损伤函数计算出所述IGBT子模块的累积损伤度D_IGBT和所述二极管子模块的累积损伤度D_diode；进而根据获取的所述IGBT子模块的累积损伤度D_IGBT、所述二极管子模块的累积损伤度D_diode、所述IGBT子模块的瞬时结温数据T_IGBT和所述二极管子模块的瞬时结温数据T_diode，利用寿命模型分别计算所述IGBT子模块和所述二极管子模块的评估寿命时间。本申请提供了一种实时智能准确评估低压直流供电换流器寿命时间的方法，以提前预估低压直流供电换流器的失效时间，能够有效地避免低压直流供电换流器损坏造成的经济损失。

应该理解的是，虽然图3的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图3中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种低压直流供电换流器寿命评估方法，其特征在于，包括：

基于双极性PWM线性调制方式构建低压直流供电换流器的功率模块的功率损耗模型P，所述功率损耗模型P为IGBT子模块的功率损耗模型P_IGBT和二极管子模块的功率损耗模型P_diode之和；

分别建立所述IGBT子模块和所述二极管子模块的热传导模型，以计算所述IGBT子模块的瞬时结温数据T_IGBT和所述二极管子模块的瞬时结温数据T_diode；

基于雨流算法分别对所述IGBT子模块的瞬时结温数据T_IGBT和所述二极管子模块的瞬时结温数据T_diode统计分析，以分别获取所述IGBT子模块的载荷谱数据和所述二极管子模块的载荷谱数据；

基于所述IGBT子模块的载荷谱数据和所述二极管子模块的载荷谱数据，根据Miner线性累计损伤函数计算出所述IGBT子模块的累积损伤度D_IGBT和所述二极管子模块的累积损伤度D_diode；

基于所述IGBT子模块的累积损伤度D_IGBT、所述二极管子模块的累积损伤度D_diode、所述IGBT子模块的瞬时结温数据T_IGBT和所述二极管子模块的瞬时结温数据T_diode，根据阿伦尼斯寿命模型评估低压直流供电换流器的寿命时间。

2.根据权利要求1所述的低压直流供电换流器寿命评估方法，其特征在于：

所述IGBT子模块的功率损耗模型P_IGBT为IGBT子模块通态损耗模型P_t-IGBT、IGBT子模块开通功率损耗模型P_on-IGBT与IGBT子模块关断功率损耗模型P_off-IGBT的和；所述二极管子模块的功率损耗模型P_diode为二极管子模块通态损耗模型P_t-diode与二极管子模块关断功率损耗模型P_off-diode之和。

3.根据权利要求2所述的低压直流供电换流器寿命评估方法，其特征在于：

所述IGBT子模块通态损耗模型P_t-IGBT根据以下公式计算：

P_t-IGBT＝i_c·(V_ce-25℃+K_V-t(T_j-t-25℃))·δ(t)+i_c ²·(_rce-25℃+K_r-t(T_j-t-25℃))·δ(t)；

所述IGBT子模块开通功率损耗模型P_on-IGBT根据以下公式计算：

所述IGBT子模块关断功率损耗模型P_off-IGBT为：

所述二极管子模块通态损耗模型P_t-diode根据以下公式计算：

P_t-diode＝i_c·(V_F-25°c+K_V-d(T_j-d-25℃))·[1-δ(t)]+i_c ²·(r_F-25℃+K_r-d(T_j-d-25℃))·[1-δ(t)]；

所述二极管子模块关断功率损耗模型P_off-diode根据以下公式计算：

其中，T_sw为载波周期，i_c为负载电流，V_ce-25℃和r_ce-25℃分别为25摄氏度下IGBT的门槛压降和导通电阻，K_v-t和K_r-t分别为IGBT的门槛压降和导通电阻的温度系数，T_j-t为IGBT的实际结温；f_sw为载波频率，V_dc直流端电压，V_{dc_ref}为参考电压，

为IGBT开通能量损耗，

为IGBT关断能量损耗，

为二极管反向恢复能量损耗，T_j为结温，Rg为栅极电阻；N_{v_IGBT}为1.3-1.4之间的系数数值，N_{v_diode}为二极管的开通能量损耗系数，取值为0.6；TC_sw-IGBT为IGBT的关断能量损耗系数，取值为0.003；TC_sw-diode为二极管的关断能量损耗系数，取值为0.006；K_R-on(R_g)为IGBT开通时栅极电阻对应的损耗影响系数，K_R-off(R_g)为IGBT关断时栅极电阻对应的损耗影响系数，K_R-diode(R_g)为二极管的栅极电阻对应的开关损耗影响系数，V_F-25℃和r_F-25℃分别为25摄氏度下二极管的门槛压降和导通电阻，K_V-d和K_r-d分别为二极管的门槛压降和导通电阻的温度系数，T_j-d为二极管的实际结温，

为二极管的关断能量损耗，δ(t)为占空比。

4.根据权利要求1中所述的低压直流供电换流器寿命评估方法，其特征在于，所述分别建立所述IGBT子模块和所述二极管子模块的热传导模型包括：

基于等效RC热网络模型建立所述IGBT子模块和所述二极管子模块的热传导模型，所述等效RC热网络模型包括梯形网模型和福斯特串联网络模型。

5.根据权利要求4中所述的低压直流供电换流器寿命评估方法，其特征在于，采用三阶福斯特串联网络模型分别建立所述IGBT子模块和所述二极管子模块的热传导模型。

6.根据权利要求1-5中任一项中所述的低压直流供电换流器寿命评估方法，其特征在于：

所述IGBT子模块的载荷谱数据包括所述IGBT子模块的第i个结温数据的循环结温波动ΔT_i-IGBT、平均结温T_m-IGBT、循环次数n_i-IGBT和循环耗时p_i-IGBT；

所述二极管子模块的载荷谱数据包括所述二极管子模块的第i个结温数据的循环结温波动ΔT_i-diode、平均结温T_m-diode、循环次数n_i-diode和循环耗时p_i-diode。

7.根据权利要求6中所述的低压直流供电换流器寿命评估方法，其特征在于，还包括：

基于所述IGBT子模块的载荷谱数据和所述二极管子模块的载荷谱数据，采用阿伦尼斯寿命模型分别计算所述IGBT子模块和所述二极管子模块分别承受的温度冲击循环次数N_f-IGBT,i和N_f-diode,i：

其中，E_a为激活能，取值为1.95×10⁴，k_B为波尔兹曼常数，取值为8.314，A与α为模型参数，A＝5，α＝-3，ΔT_i-IGBT和T_m-IGBT，i分别为IGBT子模块的第i个结温数据的循环结温波动数据和平均结温数据，ΔT_i-diode和T_m-diode，i分别为所述二极管子模块的第i个结温数据的循环结温波动数据和平均结温数据。

8.根据权利要求7中所述的低压直流供电换流器寿命评估方法，其特征在于，还包括：

基于所述IGBT子模块的第i个结温数据的循环次数n_i-IGBT与所述温度冲击循环次数N_f-IGBT，i计算所述IGBT子模块的累积损伤度D_IGBT，其中，k为IGBT子模块的结温数据的数量：

基于所述二极管子模块的第i个结温数据的循环次数n_i-IGBT与所述温度冲击循环次数N_f-diode,i计算所述二极管子模块的累积损伤度D_diode，其中，k为二极管子模块的结温数据的数量：

9.根据权利要求8中所述的低压直流供电换流器寿命评估方法，其特征在于，包括：

当所述IGBT子模块的累积损伤度D_IGBT的增加值为0.05时，热阻数值增加，增加量为初始热阻数值的1％。

10.根据权利要求9中所述的低压直流供电换流器寿命评估方法，其特征在于，还包括：

当D_IGBT＝1时，计算所述IGBT子模块的各结温冲击循环次数N_f-IGBT，i的耗时p_i-IGBT；

当D_diode＝1时，计算所述二极管子模块的各结温冲击循环次数N_f-IGBT，i的耗时p_i-diode；

基于函数min(p_i-IGBT,p_i-diode)获取所述低压直流供电换流器的评估寿命时间。

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