一种SiC MOSFET/Si IGBT拓扑并联模块的失效率计算方法

技术领域

本发明涉及电源装置技术领域，特别是涉及一种SiC MOSFET/Si IGBT拓扑并联模块的失效率计算方法。

背景技术

近年来，船舶与海洋工程成为国家技术发展的重点领域，随着SiC MOSFET/SiIGBT拓扑并联模块的广泛应用，其可靠性评估分析成为船舶供电安全可靠性及该结构产业化发展的必要条件；以电力电子器件为核心的大容量、高效率、高电能质量、高可靠性和低成本电源装备被视为舰船的“供能心脏”。由于舰船电子电气设备时刻处于海洋特殊的气候环境和日益复杂的应用工况内，既要考虑电应力作用，又要考虑复杂恶劣的运行环境及实际运输作业情况，如高温高湿环境在增加元器件内部不同热膨胀系数封装材料热应力的同时，还会腐蚀元器件材料并增加元器件漏电流；且船舶持续或间歇振动冲击亦会导致元器件材料疲劳，从而降低元器件的机械强度，严重影响舰船电子电气设备的稳定及可靠性。

然而，当SiC MOSFET/Si IGBT拓扑并联模块在单一模块出现失效后，另一模块将会承担系统全部负载。其电流配比复杂，在不同失效状态时都会影响单一模块的失效率变化，即会对整体并联模块的失效率计算产生多方面因素影响，包括恶劣的自然环境、复杂的应用工况、装置密集化、海洋生物干扰等。因此，舰船电源对SiC MOSFET/Si IGBT拓扑并联模块的失效率计算方法需求相比其它开放的应用环境更加迫切。为了实现拓扑并联模块在舰船电源中的高稳定性和可靠性运行，SiC MOSFET/Si IGBT拓扑并联模块的失效率计算方法研究至关重要。

发明内容

本发明以应用于海洋工程的SiC MOSFET/Si IGBT拓扑并联模块为对象，旨在解决目前船舶背景下电源设备受船舶振动、高温高湿环境、船舶启停加速和不同器件结构差异等复合应力影响核心功率器件导致损耗严重、装置整体可靠性不足等缺点，目的就是为了实现拓扑并联模块在舰船电源中的高稳定性和可靠性运行，设计一种SiC MOSFET/Si IGBT拓扑并联模块的失效率计算方法，以提升电源拓扑结构稳定性、降低装置整体损耗并延长寿命，并能够构建出SiC MOSFET/Si IGBT拓扑并联模块的失效率预计模型，使得通过失效率分析得到的系统可靠性模型结合多故障状态分析得到更加准确的寿命预测；为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种SiC MOSFET/Si IGBT拓扑并联模块的失效率计算方法，包括以下步骤：

S1、确定船舶年任务剖面对电源内部元器件的综合影响系数，表征船舶年任务剖面对电源内部元器件失效率的综合影响程度；

S2、分别对Si IGBT-续流二极管拓扑结构以及SiC MOSFET-续流二极管拓扑结构的失效率进行计算；建立船舶复合工况下的续流二极管、Si IGBT、SiC MOSFET的失效率预计模型；

S3、分析SiC MOSFET/Si IGBT拓扑并联模块多故障运行状态，建立SiC MOSFET/SiIGBT拓扑并联模块可靠性模型；

S4、分别对SiC MOSFET模块以及Si IGBT模块的部分载荷失效率和满载荷失效率进行计算，绘制拓扑并联模块运行状态转移图，并创建SiC MOSFET/Si IGBT拓扑并联模块运行状态的转移概率矩阵；

S5、通过多故障状态分析SiC MOSFET/Si IGBT拓扑并联模块主要功率器件的失效率，利用可靠性评价指标评估并联系统整体失效率并计算并联结构可靠度。

优选的，所述步骤S1中的综合影响系数为电源内部元器件承受应力的工作时间与电源设备工作时间的比率以及电源内部元器件不承受应力时所发生失效的比例。

优选的，所述综合影响系数的计算方式为：

k＝W+ρ(1-W)公式1；

式中，k为船舶年任务剖面对电源内部元器件的综合影响系数，W为元器件承受应力的工作时间与电源设备工作时间的比率，且0≤W≤1；ρ为元器件不承受应力时发生失效的比例，且0≤ρ≤1，当无经验值时，ρ取0.1。

优选的，所述步骤S2中船舶复合工况下的Si IGBT的失效率预计模型为：

λ

k

式中，k

λ

π

π

π

π

π

π

π

优选的，所述步骤S2中船舶复合工况下的SiC MOSFET的失效率预计模型为：

λ

k

式中，k

λ

优选的，所述步骤S2中船舶复合工况下的续流二极管的失效率预计模型为：

λ

k

式中，k

λ

优选的，所述步骤S3中分析SiC MOSFET/Si IGBT拓扑并联模块多故障运行状态时，需要将拓扑并联模块内的SiC MOSFET模块和Si IGBT模块按比例分配负载，当SiCMOSFET模块和Si IGBT模块中的任一模块因内部元件故障而失效时，另一模块将承担系统全部负载，此时，各模块失效率将从部分载荷失效率变为满载荷失效率。

优选的，所述步骤S3中建立SiC MOSFET/Si IGBT拓扑并联模块可靠性模型的步骤为：

S31、先假设SiC MOSFET/Si IGBT拓扑并联模块为不可修复系统且其初始工作状态正常；此时，将SiC MOSFET模块和Si IGBT模块工作均正常的状态定义为状态0，将SiCMOSFET模块故障而Si IGBT模块满载荷运行的状态定义为状态1，将Si IGBT模块故障而SiCMOSFET模块满载荷运行的状态定义为状态2，将SiC MOSFET模块与Si IGBT模块均故障的状态定义为状态3；

S32、当处于状态0时，SiC MOSFET模块若发生故障，则系统向状态1转变；当处于状态0时，Si IGBT模块若发生故障，则系统向状态3转变；当处于状态1时，Si IGBT模块发生故障，或者当处于状态2时，SiC MOSFET模块发生故障，则系统向状态3转变。

优选的，所述温度调整系数π

式中，式中，e为自然常数，T

优选的，所述温度调整系数π

式中，式中，e为自然常数，T

本发明的有益效果：

(1)本发明的失效率计算方法，通过结合船舶年任务剖面综合影响、试验环境、功率器件质量等级、功率器件应用系数、功率器件互补结构对功率器件失效率的影响，通过工作电压与额定电压的比值、船舶工作剖面的功率器件结温、电源装置额定功率对功率器件失效率的影响，引入复合应力影响因子分别构建续流二极管、SiC MOSFET与Si IGBT的失效率预计模型，实现全面分析在船舶复合工况下影响拓扑并联模块失效率的各种因素。

(2)在海洋船舶电源应用背景下，本发明方法是当前国内对SiC MOSFET与Si IGBT拓扑并联模块的失效率有效计算方法，能够实现船舶的安全可靠供电及该结构的产业化发展，出于对最终能达到的效果以及计算器件失效方面的综合考虑，本发明同样可应用于轨道交通、航空航天等领域中。

附图说明

图1为SiC MOSFET/Si IGBT拓扑并联模块的电源拓扑结构图；

图2为SiC MOSFET/Si IGBT拓扑并联模块失效率的计算流程图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1至图2所示，一种SiC MOSFET/Si IGBT拓扑并联模块的失效率计算方法，包括以下步骤：

S1、确定船舶年任务剖面对电源内部元器件的综合影响系数，表征船舶年任务剖面对电源内部元器件失效率的综合影响程度；电源装备的失效率与其组件的电应力持续时间有关，受季节气候以及宏观经济形势的影响，在船舶任务剖面下，电源装备中的元器件在工作阶段存在无电应力时间；通过考虑船舶年任务剖面对电源装备元器件的失效率影响，可以使失效率分析值更加贴合实际船舶运行工况。

该步骤中的综合影响系数为电源内部元器件承受应力的工作时间与电源设备工作时间的比率以及电源内部元器件不承受应力时所发生失效的比例；其计算方式为：

k＝W+ρ(1-W)公式1；

式中，k为船舶年任务剖面对电源内部元器件的综合影响系数，W为元器件承受应力的工作时间与电源设备工作时间的比率，且0≤W≤1；ρ为元器件不承受应力时发生失效的比例，且0≤ρ≤1，当无经验值时，ρ取0.1。

S2、考虑电应力作用，复杂恶劣的运行环境及实际运输作业情况，分别对Si IGBT-续流二极管拓扑结构以及SiC MOSFET-续流二极管拓扑结构的失效率进行计算；建立船舶复合工况下的续流二极管、Si IGBT、SiC MOSFET的失效率预计模型；建立的模型之中包括船舶年任务剖面综合影响系数，并联结构下的电流配比，基本失效率，除环境温度外的环境应力对功率器件失效率的影响，不同质量等级对功率器件失效率的影响程度，应用系数，工作电压与额定电压的比值，船舶工作剖面的功率器件结温，电源装置额定功率，功率器件互补结构对功率器件失效率的影响；具体的三种失效率预计模型的计算方式如下：

(1)船舶复合工况下的Si IGBT的失效率预计模型为：

λ

k

式中，k

λ

π

π

π

π

π

π

π

(2)船舶复合工况下的SiC MOSFET的失效率预计模型为：

λ

k

式中，k

λ

上述两组温度调整系数π

式中，式中，e为自然常数，式中，e为自然常数，T

(3)船舶复合工况下的续流二极管的失效率预计模型为：

λ

k

式中，k

λ

该步骤温度调整系数π

式中，式中，e为自然常数，T

S3、分析SiC MOSFET/Si IGBT拓扑并联模块多故障运行状态，建立SiC MOSFET/SiIGBT拓扑并联模块可靠性模型；

该步骤中分析SiC MOSFET/Si IGBT拓扑并联模块多故障运行状态时，需要将拓扑并联模块内的SiC MOSFET模块和Si IGBT模块按一定的比例分配负载，假设拓扑并联模块为不可修复系统，且其初始工作状态正常，分析拓扑并联模块的多故障运行状态，从而建立拓扑并联模块可靠性模型；即当SiC MOSFET模块和Si IGBT模块中的任一模块因内部元件故障而失效时，另一模块将承担系统全部负载，此时，各模块失效率将从部分载荷失效率变为满载荷失效率。

SiC MOSFET/Si IGBT拓扑并联模块失效率的计算流程如图2所示，首先确定船舶年任务剖面综合影响系数，从而使失效率分析值更加贴合实际船舶运行工况，根据元器件承受应力的工作时间与电源设备工作时间的比率以及元器件不承受应力时可能发生失效的比例，分别对Si IGBT，SiC MOSFET以及续流二极管的失效率进行计算；其次，建立船舶复合工况下Si IGBT-续流二极管拓扑结构，SiC MOSFET-续流二极管拓扑结构的失效率预计模型。再次，建立子模块可靠性模型分析拓扑并联模块多故障运行状态。最后通过系统的可靠性模型和多故障状态分析得出SiC MOSFET/Si IGBT拓扑并联模块的可靠性。

该步骤中建立SiC MOSFET/Si IGBT拓扑并联模块可靠性模型的步骤为：

S31、先假设SiC MOSFET/Si IGBT拓扑并联模块为不可修复系统且其初始工作状态正常；此时，将SiC MOSFET模块和Si IGBT模块工作均正常的状态定义为状态0，将SiCMOSFET模块故障而Si IGBT模块满载荷运行的状态定义为状态1，将Si IGBT模块故障而SiCMOSFET模块满载荷运行的状态定义为状态2，将SiC MOSFET模块与Si IGBT模块均故障的状态定义为状态3；所以拓扑并联模块的状态空间为E＝{0，1，2，3}，拓扑并联模块正常状态集为W＝{0}，拓扑并联模块故障状态集为F＝{1，2，3}。

S32、当处于状态0时，SiC MOSFET模块若发生故障，则系统向状态1转变；当处于状态0时，Si IGBT模块若发生故障，则系统向状态3转变；当处于状态1时，Si IGBT模块发生故障，或者当处于状态2时，SiC MOSFET模块发生故障，则系统向状态3转变。

S4、分别对SiC MOSFET模块以及Si IGBT模块的部分载荷失效率和满载荷失效率进行计算，绘制拓扑并联模块运行状态转移图，并创建SiC MOSFET/Si IGBT拓扑并联模块运行状态的转移概率矩阵。

拓扑并联模块运行状态转移如下矩阵所示，式中λ'

S5、结合GJB299C-2006《电子设备可靠性预计手册》、GJB/Z-108A-2006《电子设备非工作状态可靠性预计手册》与GBT37963-2019《电子设备可靠性预计模型及数据手册》，通过多故障状态分析SiCMOSFET/Si IGBT拓扑并联模块主要功率器件的失效率，利用可靠性评价指标评估并联系统整体失效率并计算并联结构可靠度。

为研究复合应力作用下对拓扑并联模块内部元器件的失效率影响，通过获取功率器件的环境系数、质量等级、电压应力系数、温度调整系数，利用应力分析法展开复合应力测试，确定船舶年任务剖面综合影响系数，实现计算元器件的失效率，而后建立SiC MOSFET与Si IGBT子模块的失效率预计模型，可使失效率分析值更加贴合实际船舶运行工况，从而提升电源运行可靠性；通过分析SiC MOSFET与Si IGBT拓扑并联模块的多故障运行状态，从而建立拓扑并联模块可靠性模型；再绘制拓扑并联模块运行状态转移图，并创建拓扑并联模块状态转移概率矩阵，通过拓扑并联模块主要功率器件的失效率预计模型计算其可靠度。

本发明根据元器件承受应力的工作时间与电源设备工作时间的比率以及元器件不承受应力时可能发生失效的比例，构建SiC MOSFET子模块和Si IGBT子模块的失效率模型，最后通过多故障状态分析建立SiC MOSFET/Si IGBT拓扑并联模块整体的失效率模型；本发明的多故障状态分析对SiC MOSFET/Si IGBT并联拓扑下根据SiC MOSFET模块与SiIGBT模块的失效情况对系统状态转变后失效率的影响进行全面分析，全面考虑了四种SiCMOSFET/Si IGBT拓扑并联模块的工作状态，拓扑并联模块内SiC MOSFET模块和Si IGBT模块按照一定比例分配负载，当其中任一模块因为内部元件故障而失效时，另一模块将承担系统全部负载，则各模块失效率也从部分载荷失效率变为满载荷失效率。

本发明还能应用于海洋工程背景下特种电源设备领域，该失效率计算方法充分考虑到基于SiC MOSFET和Si IGBT逆变器并联的电源拓扑结构因船舶年任务剖面综合影响、考虑电应力作用，复杂恶劣的运行环境及实际运输作业情况。例如高温高湿环境不仅会增加元器件内部不同热膨胀系数封装材料的热应力，还会腐蚀元器件材料和增加元器件漏电流；船舶持续或间歇振动冲击会导致元器件材料疲劳，从而降低元器件的机械强度，使得通过失效率分析得到的系统可靠性模型结合多故障的状态分析可以得到更加准确的寿命预测。