计及焊层疲劳影响的风电变流器IGBT模块热分析及改进热网络模型
输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学）、国网江西省电力公司赣州供电分公司、重庆科凯前卫风电设备有限责任公司的研究人员李辉、胡姚刚、刘盛权、李洋、刘志祥，在2017年第13期《电工技术学报》上撰文，针对不同疲劳寿命时期对风电变流器绝缘栅双极型晶闸管（IGBT）模块结温的影响，分析焊层在不同脱落度下的IGBT模块热阻变化规律，并建立考虑热阻变化的改进热网络模型。
首先，依据风电机组变流器IGBT模块的结构和材料属性，建立三维有限元热-结构耦合分析模型，对基板焊层和芯片焊层在不同脱落度下IGBT模块结温和热应力的分布规律进行仿真分析。其次，确定不同焊层脱落度下其热阻增量值，并建立IGBT模块改进热网络模型。最后，将三维有限元模型和改进热网络模型的结温计算结果进行对比分析，验证了所提的改进热网络模型的有效性。
风电变流器是风力发电中能量转换的重要环节，尤其是海上风电变流器承受着更加严酷的运行环境。风电机组长时间、频繁和大范围的随机出力变化，导致电能转换单元持续承受剧烈的热应力冲击，风电变流器可靠性程度受到越来越多的关注[1-3]。
绝缘栅双极型晶闸管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）模块作为风电变流器关键部件之一，其运行可靠性对于变流器系统及整机可靠性至关重要。结温是表征功率器件健康程度的关键状态特征量之一[3]，通常利用电热耦合模型实现IGBT模块结温计算[2,4]。但是，风电变流器持续运行期间，IGBT模块各层材料间产生的交变热应力将使其焊料层出现疲劳裂缝，甚至出现焊层疲劳脱落现象。
随着疲劳进程不断延展加大，其热阻等参数将不可避免地出现漂移，尤其在疲劳寿命后期可能更为显著。因此，很有必要研究IGBT模块热分布变化规律和建立考虑焊层疲劳脱落影响的改进热网络模型，对不同疲劳寿命时期的风电变流器IGBT模块结温计算和提高风电变流器IGBT模块状态监测技术水平有重要工程应用价值。
目前国内外学者关于功率器件的结温评估和疲劳老化的研究工作已有部分成果。文献[4]利用集总参数法建立了IGBT模块瞬态导热的热网络模型。文献[5]对比研究了电流迟滞控制、正弦脉宽调制、空间矢量脉宽调制三种方式下脉冲负载对IGBT模块结温的不同影响。
文献[6]考虑多芯片热源之间的耦合作用对IGBT模块功率循环能力的影响，对不同的结温计算模型进行了误差分析。文献[7,8]研究了基于壳温的风电变流器状态监测方法。但是上述文献都是假设基于IGBT模块热阻为固定值[4]，其无法追踪结温在不同寿命时期的动态演变过程，且不同风速下IGBT模块的结壳热阻与不同的焊料层疲劳老化程度之间的关系尚未研究。
文献[9]利用不同功率循环次数下结温的变化量来进行IGBT模块的状态监测，但其疲劳寿命后期结温的评估仍是基于固定热阻的常规热网络模型。文献[10]从热传导路径的角度分析了IGBT模块的结温计算，但是其仅研究了基板焊层老化引起的导热路径变化，而没有考虑疲劳影响可能更为显著的芯片焊层疲劳。
IGBT模块在运行过程中长期承受着各种不同水平的热应力疲劳载荷，其健康状态不断恶化，尤其在疲劳寿命后期将出现焊层疲劳脱落现象（主要包括基板焊层和芯片焊层脱落），IGBT模块内部物理结构发生改变，进而引起模块的热传递路径改变引起热阻发生变化，导致IGBT模块结温进一步升高。因此，有必要进一步研究考虑焊层疲劳影响的IGBT模块热分布规律和建立考虑热阻变化的改进热网络模型。
基于此，为了准确计算风电变流器IGBT模块的结温，建立了考虑热阻变化的改进热网络模型。首先依据实际双馈风电变流器IGBT模块的材料特性参数，建立其三维有限元热-结构耦合分析模型（简称“三维有限元模型”），研究不同脱落度下IGBT模块的温度、热应力及热阻变化规律。其次，研究不同风况下的热阻提取过程，并建立了考虑热阻变化的IGBT模块改进热网络模型。最后，分别通过应用三维有限元模型和改进热网络模型，对计算的两种IGBT模块结温进行对比，验证了改进热网络模型的有效性。
图1 双馈风电变流器IGBT模块及其剖面
结论
依据双馈风电变流器IGBT模块结构，建立了IGBT模块的三维有限元模型，并分析在不同的基板焊层和芯片焊层脱落程度下IGBT模块的结温、热应力分布及热阻变化规律，提出了考虑热阻变化的改进热网络模型，通过对比分析验证了所提的改进热网络模型的有效性。主要结论如下：
1）无论是基板焊层还是芯片焊层脱落，在相同损耗条件下，IGBT模块的结温都会随着焊层脱落度的增大而增大，但是芯片焊层脱落的影响更为明显；当焊层出现疲劳后，基板焊层和芯片焊层最大von-Mises应力都随着脱落度的增加而增大。
2）在相同风速作用下，IGBT热阻增量会随着焊层脱落度的增大而增大，与基板焊层疲劳相比，芯片焊层疲劳导致的热阻增量更为显著。在相同焊层疲劳作用下，不同风速作用对其IGBT模块热阻增量影响几乎相同。
3）通过将改进热网络模型与三维有限元模型计算的IGBT模块结温计算结果对比，表明本文提出的考虑热阻变化的IGBT模块改进热网络模型是有效的，可用于不同疲劳寿命时期的风电变流器IGBT模块结温计算与分析。