风电机组变流器功率模块疲劳老化特性分析

摘要
图/表
参考文献
相关文章 (15)

全文: PDF (6991 KB) HTML (1 KB)
输出: BibTeX | EndNote (RIS)

摘要大功率并网风电机组变流器是风力发电系统中能量转换的核心装置,风电机组存在长时间、频繁且大幅度的随机出力波动,致使变流器功率模块承受剧烈功率波动,引发电-热应力循环冲击,瞬时过载会显著增大温度波动幅值,加速功率模块损伤,导致功率模块成为风电机组中故障率较高的部件之一。本文基于有限元分析方法,深入探究过载电流对功率模块疲劳寿命的作用机理,构建二者的数学模型,从而定量地描绘过载电流对疲劳寿命的影响规律。首先,运用有限元方法对功率模块开展电-热物理场耦合分析,探究在过载电流作用下,功率模块内部铝键合线温度的动态演化规律;其次,将电-热物理场耦合分析结果作为加载条件,进一步通过有限元方法开展功率模块热-应力物理场耦合分析,探究高温环境及温度波动引发的热应力对铝键合线材料性能的具体影响,从微观层面揭示材料特性的变化机制;最后,采用名义应力有限寿命设计法针对功率模块进行疲劳老化分析,并在此基础上,综合考量相关因素,建立过载电流与功率模块疲劳寿命的数学模型,实现对二者关系的量化表征。本文研究成果可为风电机组变流器功率模块的优化设计工作提供理论数据支持,同时也可作为制定风电机组变流器检修计划的参考依据,对提升风电机组的可靠性和运行效率具有重要意义。

	服务

	把本文推荐给朋友
	加入我的书架
	加入引用管理器
	E-mail Alert
	RSS
	作者相关文章
	邓清飞
	钱飞翔
	李冬
	李今宋

关键词 ：风电机组, 变流器, 功率模块, 疲劳老化

Abstract：In wind power systems, the converter of high power grid connected wind turbines is a core energy conversion device. Due to the random and highly fluctuating power output of wind turbines, the power module often runs overloaded, suffering severe thermal stress and becoming a high failure rate component. This study uses finite element analysis (FEA) to explore how overload current affects the power module’s fatigue life. It also establishes a mathematical model linking overload current and module fatigue life. Firstly, FEA-based electro-thermal coupling analysis clarifies the dynamic temperature changes of aluminum bond wires under overload current. Secondly, incorporating these results as load conditions, further FEA-based thermo-mechanical coupling analysis is done. This analyzes the specific impacts of thermal stress from high temperatures and temperature fluctuations on aluminum bond wire material properties, revealing the microscopic mechanisms of material characteristic changes. Finally, using the nominal stress approach for fatigue life analysis of the power module and considering relevant factors, a precise mathematical model linking overload current and module fatigue life is built. This establishes a quantitative relationship between them. The research offers theoretical data for optimizing power module design in wind turbine converters and serves as a reference for converter maintenance scheduling. It’s highly significant for enhancing wind turbine reliability and operational efficiency.

Key words： wind turbine converter power module fatigue aging

收稿日期: 2025-05-27

作者简介: 邓清飞（1982—）,男,江西省南昌市人,本科,高级工程师,主要从事企业高低压配电运行管理工作。

引用本文:

邓清飞, 钱飞翔, 李冬, 李今宋. 风电机组变流器功率模块疲劳老化特性分析[J]. 电气技术, 2026, 27(6): 23-29. DENG Qingfei, QIAN Feixiang, LI Dong, LI Jinsong. Comprehensive analysis of fatigue aging characteristics in the converter power module of wind turbines. Electrical Engineering, 2026, 27(6): 23-29.

链接本文:

https://dqjs.cesmedia.cn/CN/Y2026/V27/I6/23

[1] 黄玲玲, 曹家麟, 符杨. 海上风电场电气系统现状分析[J]. 电力系统保护与控制, 2014, 42(10): 147-154.
[2] 刘勇, 徐永强. 1.5MW风电变流器功率模组国产化设计与应用[J]. 风能, 2024(12): 88-93.
[3] 宋强, 王云飞, 赵彪, 等. 基于单级多电平开关变流的超大容量海上风电变流器[J]. 电力自动化设备, 2024, 44(8): 45-53, 61.
[4] 范华安. 基于数字孪生的风电变流器IGBT衰退特性研究[D]. 北京: 北京交通大学, 2024.
[5] 杨旭. 基于饱和压降测量的IGBT功率模块状态评估方法研究[D]. 重庆: 重庆大学, 2012.
[6] 白晓泽. 基于数据驱动的风电变流器故障诊断研究[D]. 唐山: 华北理工大学, 2023.
[7] 刘姝, 王鹤岩, 曹福毅, 等. 基于故障树分析法的风电机组变频器故障与可靠性研究[J]. 电气应用, 2022, 41(8): 61-68.
[8] 罗炜, 曾至君, 李凌飞, 等. 风电机组变流器对海上风电场可靠性的影响[J]. 南方电网技术, 2021, 15(11): 22-33.
[9] 刘建涛, 王治华, 王珂. 不同结构电压源换流器损耗对比分析[J]. 电力系统保护与控制, 2013, 41(6): 105-110.
[10] 王长华, 李祥雄, 梁顺发, 等. 基于神经网络的绝缘栅双极型晶体管开关损耗预测[J]. 电气技术, 2025, 26(3): 42-48.
[11] 鲁宇加, 焦超群, 陈蕊, 等. 基于多物理场耦合的压接型IGBT功率循环应力特性仿真分析[J]. 高电压技术, 2024, 50(9): 4195-4206.
[12] 万庆祝, 于佳松, 佟庆彬, 等. 基于Bo-BiLSTM网络的IGBT老化失效预测方法[J]. 电气技术, 2024, 25(3): 1-10.
[13] 胡震, 崔曼, 吴晓华, 等. 基于空间多点位温度IGBT器件参数逆推的健康状态在线监测方法[J]. 电工技术学报, 2025, 40(2): 452-462.
[14] 王凯宏, 朱一荻, 孙鹏菊, 等. GaN器件稳态温敏电参数特性的研究[J]. 电工技术学报, 2024, 39(19): 5995-6007.
[15] 黄萌, 舒思睿, 李锡林, 等. 面向同步稳定性的电力电子并网变流器分析与控制研究综述[J]. 电工技术学报, 2024, 39(19): 5978-5994.
[16] 韩建辉, 李彬. 温度对风电变流器可靠性的影响及应对措施[J]. 设备管理与维修, 2024(17): 124-127.
[17] 张蕴馨, 徐玉龙, 吴德, 等. 基于风电场运营工况的风电变流器IGBT寿命预测研究[J]. 电气应用, 2023, 42(12): 106-113.
[18] JEDEC JEP 122:2016 Failure mechanisms and models for semiconductor devices[S].
[19] Semikron. IGBT module failure analysis report: section 4.2 thermal stress contributions[R]. Nuremberg: SEMIKRON International GmbH, 2019.
[20] 黄天琪, 刘永前. 基于电-热-结构耦合分析的SiC MOSFET可靠性研究[J]. 电气技术, 2024, 25(8): 27-34.
[21] 高礼玉, 栾洪洲, 李天琦, 等. 基于阵列波导光栅的IGBT功率模块结温监测[J]. 电工技术学报, 2025, 40(6): 1796-1804.
[22] Semikron. Reliability testing of IGBT modules: No. SK_AN_Rel_2021-03[R]. Nuremberg: SEMIKRON International GmbH, 2021.
[23] ANSYS electromagnetics suite user’s guide. Section 15.3: electro-thermal coupling[Z]. ANSYS Inc., 2023.
[24] ANSYS nCode DesignLife theory guide. Chapter 4: stress-based fatigue methods[Z]. ANSYS Inc., 2023.
[25] Semikron. Application note AN1401: thermal equi- valent modeling for liquid cooling systems[R/OL].https://assets.danfoss.com/documents/AN1401/AN1401_Thermal_Equivalent_Modeling_for_Liquid_Cooling_Systems.pdf.
[26] Aranzabal I, Martinez De Alegria I, Delmonte N, et al. Comparison of the heat transfer capabilities of conventional single- and two-phase cooling systems for an electric vehicle IGBT power module[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2019, 34(5): 4185-4194.
[27] Semikron. SKiM63 IGBT module datasheet: section 5.2 thermal management[DS/OL].[2026-03-10]. https://www.semikronsemi.com/datasheet/semikronsemi/SKIM63.pdf.