电力电子系统可靠性

本书重点介绍电力电子系统可靠性的分析和设计方法。电力电子系统可靠性涉及可靠性工程、材料科学与工程、电工电子技术、自动控制理论等,是一门多学科交叉的应用型技术。本书从元器件级出发,分别介绍各种工况下的开关管、开关模块、电容等元器件的多时间尺度寿命预测方法、在线监控技术和可靠性提升策略,然后从系统级层面评估电力电子系统整体的可靠性,并介绍其改善方法。 本书旨在帮助从事电力电子、电气工程和可靠性工程等相关领域的科研人员了解并掌握电力电子系统可靠性的分析和设计方法,并将其灵活运用在科研平台搭建和产品设计过程中,为促进我国电力电子产品可靠性的提高贡献微薄之力。

原书由中国香港城市大学钟树鸿教授（Henry Shu-hung Chung）, 丹麦奥尔堡大学王怀教授（Huai Wang）、Frede Blaabjerg 教授，美国马里兰大学Michael Pecht 教授主编。原书于2015年由英国工程技术学会（Institution of Engineering and Technology，IET）出版，共16章，分别由电力电子及可靠性领域国际知名专家撰写。

目录 译者序 第1章可靠性工程在电力电子系统中的应用 1.1电力电子系统的性能指标 1.1.1电力电子变换器 1.1.2电力电子变换器的设计目标 1.1.3典型电力电子应用中的可靠性需求 1.2电力电子与可靠性工程 1.2.1可靠性工程中的关键术语和指标 1.2.2电力电子与可靠性工程的发展历史 1.2.3电力电子器件物理失效机理 1.2.4面向可靠性的电力电子变换器设计 1.2.5可靠性工程中加速测试的概念 1.2.6提高电力电子变换器系统可靠性的策略 1.3电力电子可靠性研究的挑战与机遇 1.3.1电力电子系统可靠性研究的挑战 1.3.2电力电子可靠性研究的机遇 参考文献 第2章电力电子的异常检测和剩余寿命预测 2.1引言 2.2失效模型 2.2.1时间相关的电介质击穿模型 2.2.2基于能量的模型 2.2.3热循环模型 2.3用于失效机理分析的FMMEA 2.4基于数据驱动的寿命预测方法 2.4.1变量缩减法 2.4.2Mahalanobis距离确定故障阈值 2.4.3K-近邻算法 2.4.4基于粒子滤波的剩余寿命估计方法 2.4.5基于数据驱动的电路的异常检测和预测 2.4.6基于金丝雀方法的电路的异常检测和预测 2.5总结 参考文献 第3章电力电子变换器DC-link电容器可靠性 3.1电力电子变换器DC-link电容器 3.1.1用于DC-link的几种典型电容器 3.1.2不同种类DC-link电容器的对比 3.1.3电力电子变换器中电容器的可靠性挑战 3.2电容器的失效机理和寿命模型 3.2.1DC-link电容器的失效模式、失效机理和关键应力 3.2.2DC-link电容器的寿命模型 3.2.3湿度条件下DC-link电容器的加速寿命测试 3.3DC-link的可靠性设计 3.3.1六种典型的DC-link设计方案 3.3.2容性DC-link的可靠性设计方法 3.4DC-link电容器的状态监测 参考文献 第4章电力电子器件封装的可靠性 4.1引言 4.2电力电子器件封装的可靠性概念 4.3电力电子器件封装的可靠性测试 4.3.1热冲击测试 4.3.2温度循环测试 4.3.3功率循环测试 4.3.4高压釜测试 4.3.5栅极电介质可靠性测试 4.3.6高强度加速应力试验(HAST) 4.3.7高温存储寿命(HSTL)测试 4.3.8老化测试 4.3.9其他测试 4.4功率半导体封装或模块可靠性 4.4.1焊接可靠性 4.4.2键合线可靠性 4.5高温电力电子模块的可靠性 4.5.1功率衬底 4.5.2高温管芯附着可靠性 4.5.3管芯顶面电气互连 4.5.4封装技术 4.6总结 参考文献 第5章功率半导体模块的寿命预测模型 5.1加速循环测试 5.2主要失效机理 5.3寿命模型 5.3.1热建模 5.3.2经验寿命模型 5.3.3基于物理的寿命模型 5.3.4基于PC寿命模型的寿命预测 5.4基于物理建模的功率半导体模块焊点寿命估计 5.4.1应力-应变(磁滞)焊接行为 5.4.2组成焊料方程 5.4.3Clech算法 5.4.4基于能量的寿命预测模型 5.5基于物理建模的焊点寿命模型示例 5.5.1热仿真 5.5.2应力-应变建模 5.5.3应力-应变分析 5.5.4模型验证 5.5.5寿命曲线的提取 5.5.6模型精度和参数敏感度 5.5.7寿命预测工具 5.6总结 参考文献 第6章电力电子变换器最小化DC-link电容器设计 6.1引言 6.2性能权衡 6.3无源方法 6.3.1无源滤波技术 6.3.2纹波减小技术 6.4有源方法 6.4.1功率解耦技术 6.4.2纹波减小技术 6.4.3控制和调制方法 6.4.4特殊电路结构 6.5总结 参考文献 第7章风力发电系统可靠性 7.1引言 7.2主要风力发电系统中电力电子架构综述 7.2.1陆上和海上风电机组 7.3电力电子变换器可靠性 7.3.1可靠性结构 7.3.2SCADA数据 7.3.3变换器可靠性 7.4组件的可靠性FMEA和前瞻性对比 7.4.1简介 7.4.2组件 7.4.3小结 7.5故障的根本原因 7.6提升风电机组变换器的可靠性和可用性的方法 7.6.1结构 7.6.2热管理 7.6.3控制 7.6.4监测 7.7总结 7.8建议 参考文献 第8章提升电力电子系统可靠性的主动热控制方法 8.1引言 8.1.1电力电子的热应力和可靠性 8.1.2提高可靠性的主动热控制概念 8.2减小热应力的调制方法 8.2.1调制方法对热应力的影响 8.2.2额定工况下的调制方法 8.2.3故障条件下的调制方法 8.3优化热循环的无功功率控制 8.3.1无功功率的影响 8.3.2基于DFIG的风电机组的案例分析 8.3.3并联变换器案例分析 8.4基于有功功率的热控制 8.4.1有功功率对热应力的影响 8.4.2大型风电变换器中的储能装置 8.5总结 参考文献 第9章功率器件的寿命建模及预测 9.1引言 9.2功率模块的故障机理 9.2.1封装相关故障机理 9.2.2器件烧毁故障 9.3寿命模型 9.3.1寿命和可用性 9.3.2指数分布 9.3.3威布尔分布 9.3.4冗余 9.4寿命建模及元器件设计 9.4.1基于任务剖面的寿命预测 9.4.2具有恒定故障率的系统的寿命建模 9.4.3低周疲劳的寿命建模 9.5总结和结论 参考文献 第10章功率模块的寿命测试和状态监测 10.1功率循环测试方法概述 10.2交流电流加速测试 10.2.1简介 10.2.2交流功率循环测试的应力 10.3功率模块的老化失效 10.3.1导通电压测量方法 10.3.2电流测量 10.3.3冷却温度测量 10.4IGBT和二极管的电压演变 10.4.1vce,on监测的应用 10.4.2老化和失效机理 10.4.3故障后调查 10.5芯片温度估计 10.5.1简介 10.5.2结温预测方法综述 10.5.3vce,on负载电流方法 10.5.4变换器运行条件下的温度估计 10.5.5温度的直接测量方法 10.5.6温度预测的评估 10.6状态监测数据的处理 10.6.1状态数据处理的基本类型 10.6.2状态监测的应用 10.7总结 参考文献 第11章随机混合系统模型在电力电子系统性能和可靠性分析中的应用 11.1引言 11.2SHS的基本原理 11.2.1连续和离散状态的演变 11.2.2测试函数、扩展算子和矩演变 11.2.3动态状态矩的演变 11.2.4利用连续状态矩进行动态风险评估 11.2.5从SHS恢复马尔可夫可靠性和补偿模型 11.3SHS在光伏系统经济学中的应用 11.4总结 参考文献 第12章容错可调速驱动系统 12.1引言 12.2影响ASD可靠性的主要因素 12.2.1功率器件 12.2.2电解电容器 12.2.3其他因素 12.3容错ASD系统 12.4容错系统设计中的变换器故障隔离 12.5容错系统设计中的控制或硬件重配置 12.5.1拓扑结构 12.5.2控制策略 12.5.3冗余硬件技术 12.6总结 参考文献 第13章风力发电和光伏系统基于任务剖面的可靠性设计 13.1可再生能源发电系统的任务剖面 13.1.1运行环境 13.1.2电网要求 13.2基于任务剖面的可靠性评估 13.2.1热应力的影响 13.2.2功率器件的寿命模型 13.2.3不同时间尺度负荷的转移 13.2.4寿命预测方法 13.3风电机组的可靠性评估 13.3.1风电变换器的寿命预测 13.3.2任务剖面对寿命的影响 13.4光伏系统的可靠性评估 13.4.1光伏逆变器 13.4.2单相光伏系统的可靠性评估 13.4.3光伏系统的热应力优化运行方案 13.5总结 参考文献 第14章光伏系统中电力电子变换器可靠性 14.1光伏系统简介 14.1.1DC/DC变换 14.1.2DC/AC变换 14.2光伏系统中功率变换器的可靠性 14.2.1电容器 14.2.2IGBT/MOSFET 14.3可靠性研究的挑战 14.3.1高级逆变器功能 14.3.2高WDC/WAC比能量变换 14.3.3模块化变换器 参考文献 第15章计算机电源的可靠性 15.1设计目标和需求 15.1.1设计失效模式和影响分析 15.2热剖面分析 15.3降额分析 15.4电容器寿命分析 15.4.1铝电解电容器 15.4.2Os-con型电容器 15.5风扇寿命 15.6高加速寿命测试 15.6.1低温应力 15.6.2高温应力 15.6.3振动应力 15.6.4组合温度-振动应力 15.7振动、冲击和跌落测试 15.7.1振动测试 15.7.2冲击和跌落测试 15.8制造一致性测试 15.8.1持续可靠性测试 15.9总结 参考文献 第16章大功率变换器可靠性 16.1大功率应用 16.1.1概述 16.2基于晶闸管的大功率器件 16.2.1集成门极换向晶闸管(IGCT) 16.2.2内部换向晶闸管(ICT) 16.2.3双ICT 16.2.4ETO/IETO 16.2.5基于晶闸管的器件的可靠性 16.3大功率逆变器拓扑 16.3.1两电平变换器 16.3.2多电平变换器 16.4大功率DC变换器拓扑 16.4.1DAB变换器 16.4.2模块化DC/DC变换器系统 参考文献