1. 研究目的与意义（文献综述）

1 目的及意义

随着功率半导体器件的高速发展，电力电子系统在新能源发电、高压直流输电、大功率调速和电动车等领域中的应用越来越广泛。但是电力电子变换器作为系统强弱电转换的中间环节，承受高额的开关频率和电热应力，最容易发生故障。故障的发生可能会使系统运行性能下降甚至导致整个系统失效，造成严重的经济损失。逆变器是整个系统中的关键环节也是薄弱环节，提高其可靠性能够降低系统的故障发生率，保障系统的可靠运行，是近年来的研究热点。

可靠性是产品在规定的时间和条件下，完成规定功能的能力。任何系统都有可能发生故障，可靠性分析过程是使故障发生的可能性最小化的过程，从而严格地控制产品的偶然性故障。可靠性工程的本质是防止故障的产生。设计过程中的缺陷会对后续使用过程产生影响，而且随着时间的推移，维修成本会逐渐增加。

2. 研究的基本内容与方案

2 研究的基本内容

为了保护逆变器直流侧不受到交流测脉动功率的影响，会使用电解电容实现功率解耦。但是由于电解电容寿命较短，可靠性较差，所以在单相H桥逆变器中，使用功率解耦模块替代电解电容。功率解耦电路可以减小或消除交流测功率的扰动，减小DC-Link电容的容值，提高器件可靠性，但是有源功率解耦会增加逆变器的器件，改变原有器件的应力，需要进行500W逆变器级的可靠性评估。具体内容如下：

1. 选择合适的功率解耦模块和功率器件，计算功率器件的损耗；
2. 对开关器件和电容建立热阻抗模型并进行热分析；
3. 使用PLECS软件对使用不同的功率解耦模块500W单相H桥逆变器进行热仿真并分析；
4. 完成系统寿命预测及综合可靠性评估。

2.1 技术方案

功率解耦方式共有图1所示3种，分别为无源DC-Link，直流测有源共率解耦和交流测有源功率解耦方式。

图1 功率解耦方式

2.2 功率器件损耗计算

功率器件MOSFET工作在开关模式时，功率损耗Pl可以分为3部分：导通损耗Pc、开关损耗Psw和截止损耗Pb，截止损耗Pb通常可以忽略不计，因此

MOSFET的导通损耗可由漏源通态电阻RDSon计算，

式中：uDS为漏源电压，iD为漏极电流。因此，导通损耗瞬时值PCM(t)为

从而一个开关周期内的平均导通损耗PCM为

式中：IDrms为MOSFET通态电流有效值。

MOSFET的开关损耗计算需建立理想开关电路模型，开关模型如图2所示。

图2 MOSFET理想开关电路模型

MOSFET的开关过程可以分成4个阶段，分别为开通延迟阶段、电流上升阶段、关断延迟阶段和电流下降阶段。图示理想状态下，开通延迟阶段和关断延迟阶段的开关损耗为零，只需计算电流上升阶段和电流下降阶段的开关损耗即可计算出MOSFET的开关损耗，开关过程波形见图3。

图3 MOSFET开关过程波形

2.3 热阻抗模型

半导体器件的热特性可以使用不同的等效热路模型描述，等效热路模型有Cauer模型和Foster模型。

Cauer模型基于物理实际的等效热电路，反应带有内部热阻的半导体器件的热容量真实的物理传导过程。当器件的每层的材料特性为已知时，就能建立这个模型，但是要画出每层材料上的热路图比较麻烦。模块的每一层（芯片、芯片的连接部、基片、基片连接部、底板）都可以用相应独立的RC单元来表示，每对RC代表热回路中的一个物理层，因此从热路模型的各网络节点能够获得每层材料的内部温度。Cauer模型如图4所示。

图4 Cauer模型

与Cauer模型不同，Foster模型的RC部分不与各材料层对应，网络节点没有任何物理意义。Foster模型基于加热和冷却特性的曲线拟合法，RC与物理结构之间没有对应关系，对系统作任何修改均需要重新拟合所有值。因为Foster系数容易从已测得的散热曲线中得到，因此该模型往往用于解析计算模块的温度分布。由于Foster模型使用方便，故选择Foster模型建立热阻抗模型。Foster模型如图5所示。

图5 Foster模型

2.4 PLECS热仿真

电力电子仿真软件 PLECS是用于电路和控制结合的多功能仿真软件，尤其适用于电力电子和传动系统。PLECS的特性如下：

1. PLECS热设计。可将热设计纳入电路设计中，可定义与温度相关的热传导和每个半导体元件的开关损耗能量分布；也可收集由半导体和电阻器而损耗的能量，并使用热电阻和电容元件来模拟热的行为。
2. 理想的开关。电力电子器件，断路器等的模型，都基于理想开关，具有理想的短路特性和理想的开路特性。
3. 易于使用。理想开关没有任何参数需要设计者去关注。
4. 鲁棒性。PLECS忽略了吸收电路，从而可以选择各种恒定步长和变步长的解析算法。
5. 快速高效。理想开关的开关动作都是瞬时完成的。每一个开关动作都只需要两个时间步长，这使得仿真速度大大提高。

进行热仿真时，需要以下三个部分：散热片、具有热描述的半导体元件和环境温度。热仿真和电路仿真同时进行，但热元件在单独的域中表示。热物理量及其类似的电物理量见表1。在类比电路中，元件的热传导损耗被建成理想可控电流源的模型，元件和空气之间的热阻抗建成简单电阻器或RC电路的模型，环境温度建成电压源的模型，这一等效电路如图6所示。

散热片模块吸收范围内所有元件的开关和传导损耗。散热片上所有半导体的外壳温度应相同。开关能量脉冲建成零宽度和无限高的狄拉克脉冲模型。因此，必须对散热片的热容进行定义或必须使用带热电容的热回路，以防止开关能量脉冲在热电阻两端产生无穷高的温度。

表1 等效热物理量与电物理量

图6 热回路的电等效

在仿真时，需要给电路添加散热片、热电阻和恒温（接地）模块，并设置如下参数：环境温度、散热片的热容和初始温度、散热片和环境温度之间的热阻，为MOSFET添加热量说明，定义其导通损耗和开关损耗，并添加探针模块实时监测散热片的温度。

2.5 器件级可靠性分析

Foster模型热阻抗曲线的方程近似为：

MOSFET结温计算方法为

式中： Ta为环境温度，Tc为MOSFET的壳温，Tj为MOSFET的结温，Ptot为MOSFET开关总损耗。

得到MOSFET结温后使用修正的Coffin-Manson模型计算失效循环数。最后使用下述二参数Weibull分布得到MOSFET的可靠性分布。

功率解耦电路中包括3种电容，分别为直流侧电解电容、交流测滤波电容和功率解耦模块中的薄膜电容。为了分析电容的可靠性，需要由其ESR计算出损耗，由Foster热阻抗模型计算出结温，结温计算方法如下，

式中：Th为电容核心的温度，Ta为环境温度。

电容的寿命模型选取同时考虑电容电压和温度的寿命模型：

式中：L为实际工况温度Th和电压V下电容的预测寿命，L0为在温度T0和电压V0的参考工况下的寿命，V为实际工况下的电容电压，△t为使电容寿命减少一半时对应的内部介质温升。最后使用下述二参数Weibull分布得到电容的可靠性分布。

半导体器件和集成电路会由于各种原因而失效，但是失效率往往与使用时间有关。若在经过时间t之后未失效器件的数目为R(t)，则通过寿命试验可以获得大致如图7所示的三种模式的函数关系：

1. 早期失效模式
2. 偶发失效模式
3. 磨损失效模式

在数学上用来描述这些失效模式的函数即称为可靠性函数。

图7 三种模式的可靠性函数

统计数据的分布函数有许多种，常用的如指数分布、Gauss分布、对数正态分布和Weibull分布。虽然指数分布函数比较简单、分析容易，同时也能很好地表征偶发失效模式的规律，不过对于晶体管、二极管和集成电路的整个可靠性分析而言，比较符合实际情况且可以作为可靠性函数的是Weibull分布。Weibull分布的累积失效分布函数为

式中：m为分布的形状参数，n为分布的尺寸参数。

Weibull分布的图形如图8所示，当Weibull分布采用不同的形状参数m时，可表示不同的失效模式：mlt;1时，为早期失效模式；m=1时，为偶发失效模式；mgt;1时，为磨损失效模式。

图8 Weibull分布

Weibull分布是根据最弱环节模型或串联模型得到的，能很好地表征器件和集成电路的失效规律，能充分反映材料缺陷和应力集中源对材料疲劳寿命的影响，而且具有递增的失效率，所以，将它作为材料或零件的寿命分布模型或给定寿命下的疲劳强度模型是合适的。由于它可以根据失效概率密度来容易地推断出其分布参数，故被广泛地应用于各种寿命试验的数据处理。使用Weibull分布分析器件可靠性时，由于不同器件的失效模式不同，因而它们的分布的形状参数m的取值也各不相同。

2.6 系统级可靠性模型

系统级可靠性模型是电力电子变换器可靠性定性分析和定量求解的基础，可以实现不同拓扑和控制策略的可靠性比较，为可靠性设计奠定基础。常用的系统级可靠性模型主要有可靠性框图模型（RBD）、K/N可靠性模型、故障树模型（FTA）和Markov模型。系统级可靠性模型优缺点比较如表2所示。

由于可靠性框图模型（RBD）建模快速，结构清晰，且逆变器系统不存在冗余设计，故选择RBD进行系统可靠性评估。

3. 研究计划与安排

3 进度安排

第1~2周：查阅资料，外文文献翻译，完成开题答辩；

第3~5周：掌握逆变器功率器件的选型和损耗计算；

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 陈坚. 电力电子学—电力电子变换和控制技术. 北京：高等教育出版社，2002

[2] mosfet power losses calculation using the datasheet parameters by dr. du#353;an graovac ,marco pürschel , andreas kiep

[3] wang haoran, zhu guorong, fu xiaobin, et al. an ac side-active power decoupling modular for single phase power converter[c]. energy conversion congress and exposition (ecce), 2015: 1743-1748.