战斗疲劳

汽车制造商可能会在未来推出更多的混合动力或电动汽车，如果它们的安全性和效率得到提高，更可靠的电力电子转换器。

绝缘栅双极晶体管(igbt)是一种通常用于高压电路(300V以上)并广泛用于电机控制的开关功率器件，是这些车辆的关键推手。

例子包括丰田的第二代混合动力普锐斯，它有一个50千瓦的IGBT逆变器，控制两个交流电机/发电机连接到它的直流电池组。

虽然这些勤奋工作的设备看起来很耐用，但随着时间的推移，热疲劳会降低它们脆弱的半导体结构，从而增加故障的可能性。

因此，来自英国两所大学的研究人员正在研究电力电子转换器的退化，希望能在故障发生之前提供一种预测故障的方法。

在一项为期三年的50万英镑政府拨款的资助下，李然(音译)教授领导的研究团队，在北京大学的英国杜伦大学和菲尔·莫比华威大学美国将对igbt进行实验，并在不同温度和负载条件下对其进行监测。他们将研究晶体管的终端电信号，并使用专门设计的计算机模型来模拟热、低频和高频电域。

他说，电力电子设备的可靠性是一个主要问题。“有时转换器或设备出了故障，人们根本不知道发生了什么。我们将尝试在系统中引入一些智能，使它们更可靠。”



更好的设计

Mawby对此表示赞同，他说他希望这项研究能带来更好的转换器设计。他说，目前的转换器设计中有很多过量的成分。“它们是过度设计的，因为工程师不确定缺陷是如何表现出来的。我们希望能在这方面有所突破，减少转换器的成本和尺寸。”

Mawby说，研究转换器可以为半导体开关设备提供一套标准的测量方法，以确定它们的疲劳程度。他说:“这对航空航天等应用来说非常关键，因为如果这些设备有可能损坏，你就不希望你的飞机飞行。”

虽然这项研究的结果将有利于航空航天和汽车工业，但该项目的合作伙伴，包括核能集团阿海珐——表明研究人员看到了更广泛的应用。

one partner的首席执行官保罗•泰勒表示，丹尼克斯半导体该公司为交流电机驱动、铁路和船舶推进、航空航天变流器和风力发电变流器提供IGBT模块。他表示，他的公司加入该项目是因为它正在以一种新颖的方式解决疲劳问题。Dynex参与了许多欧盟和dti支持的研发合作项目，涉及飞机电力电子系统、电网互联性和电源模块可靠性。

Taylor说:“在所有这些项目中，Dynex在IGBT模块可靠性方面都很活跃，包括调查统计故障和磨损机制，但这些都没有将状态监测作为提高电源转换器可靠性和可用性的一种手段。”

Ran说，对电力设备疲劳的研究对可再生能源系统尤其有益，因为可再生能源系统对其组件的苛刻是出了名的。他举了一个风力涡轮机的例子，以及风对它们的影响。

湍流、风切变、塔影(风力涡轮机塔周围气流受到干扰的区域)和其他影响导致叶片每次旋转时叶片载荷的周期性变化。这些疲劳负荷不仅影响叶片，还影响风车的其他部件，包括其功率转换器。

Ran参与了以前的电力电子转换器研究，但他说他最近的项目将提供更有价值的结果。其他项目研究了变流器故障后对电力电子系统的影响。“那有点晚了，”冉说。“我们希望通过提前预警来推进这项技术。根据转换器在系统中的安装方式，有时设备的单个故障是不可接受的，或者成本太高。



冷却性能

在过去，也有研究试图改进转换器半导体芯片的封装。

封装的作用不仅是将芯片连接到外部电流，而且在它产生热量时冷却它，并保护它免受外部环境(如湿气或灰尘)的影响。研究人员试图通过将封装的热膨胀系数与半导体的热膨胀系数紧密匹配来提高转换器对热循环的抵抗力。他们还试图改善包装的冷却性能，提高包装材料的最高温度。

虽然这些改进可以延长系统的使用寿命，但冉说，它们永远无法保证不会出现故障。