摘 要

在电力电子单相变换器中，交流侧含有二倍工频的脉动功率，传递到变换器直流侧会产生低频纹波电流，给直流侧带来不良影响，影响变换器的可靠性。在通常情况下，采用在变换器直流侧添加DC-Link电解电容即无源功率解耦方式对脉动功率进行解耦，电解电容本身寿命不高，而且低频纹波电流作用于电解电容上的等效串联电阻（ESR）时，会使电解电容的核心温度大幅升高、寿命降低，从而影响逆变器整体寿命。由于DC-Link电解电容可靠性较低，采取在变换器交流侧或直流侧增加功率解耦模块的有源功率解耦方式取代DC-Link电容解耦。

虽然解耦模块实现了功率解耦，但是给系统添加了额外的元器件，系统的应力和可靠性需要进一步进行评估。本文基于单相H桥逆变器，分别对无源功率解耦和解耦模块在交/直流侧三种拓扑进行分析以及可靠性评估。

本文分别针对三种功率解耦方式，首先对功率解耦原理进行分析，在PLECS软件中，对单相H桥逆变器的三种解耦方式进行仿真验证，然后分别建立开关管和电容的电-热模型，得到器件的损耗和温升。利用可靠性模型、寿命模型，并用Weibull分布描述元器件的可靠性。最后根据系统可靠性框图（RBD）对系统可靠性进行评估。

关键词：单相H桥逆变器；功率解耦；寿命模型；Weibull分布；可靠性

Abstract

In the AC output side of single-phase power electronic converter, existing the two times power frequency pulsation power which will leads to low frequency ripple current in DC input side. Thereby, the DC side as well as the reliability of converter will be influenced. Usually a DC-Link electrolytic capacitor (i.e. passive power decoupling method) is added to the DC side. However, the lifetime of electrolytic capacitor is not long, as the low frequency ripple current flow through the equivalent series resistance (ESR) of electrolytic capacitor, the core temperature of capacitor may be very high and its lifetime will be shortened rapidly, therefore, the lifetime of converter will be infected by the capacitor. For the reliability of electronic capacitor is poor, active power decoupling method which can be divided into AC output side and DC input side power decoupling modules are utilized to replace DC-Link capacitor.

Though the aim of power decoupling is achieved by the modules, the component number of converter becomes large and the stresses and reliability of system should be reevaluated. In this paper, based on the single-phase H bridge inverter, analyzed three power decoupling methods in three topologies and the reliability of system.

In this paper, firstly, the principle of three kinds of power decoupling methods are analyzed, and the ability of different methods are simulated and verified in PLECS. And then, building the electric-thermal models of active switch and capacitor to get the power losses and temperature rise of components. Moreover, the lifetime and reliability models and Weibull distribution are used to describe the reliability of components. Finally, evaluating the reliability of inverter system according to the reliability block diagram (RBD) model.

Key Words：single phase H-bridge inverter；power decoupling；lifetime model；Weibull distribution；reliability

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第1章 绪论 1

1.1 课题的研究背景 1

1.2 国外可靠性研究现状 2

1.3 国内可靠性研究现状 3

1.4 本文的研究内容 3

第2章 含功率解耦的单相H桥逆变器 5

2.1 单相H桥逆变器 5

2.2 正弦脉冲宽度调制（SPWM） 6

2.2.1 SPWM原理 6

2.2.2 双极性正弦脉冲宽度调制 7

2.3 功率解耦 8

2.3.1 无源功率解耦 8

2.3.2 直流侧功率解耦 9

2.3.3 交流侧功率解耦 10

2.4 电路参数及器件选择 11

2.5 IGBT和电容功率损耗 12

2.5.1 IGBT电流 12

2.5.2 IGBT损耗 14

2.5.3 电容电流及损耗 15

2.5.4 损耗结果分析 16

第3章 电路仿真与结果分析 17

3.1 PLECS热仿真原理 17

3.2 仿真电路 18

3.3 功率解耦效果 19

3.4 热分析 21

3.4.1 热阻抗模型 21

3.4.2 IGBT和电容结温分析 22

第4章 寿命分析和可靠性评估 24

4.1 寿命分析 24

4.1.1 IGBT寿命 24

4.1.2 电容寿命 25

4.2 器件可靠性评估 26

4.2.1 Weibull分布 26

4.2.2 IGBT可靠性评估 26

4.2.3 电容可靠性评估 27

4.3 系统可靠性评估 28

第5章 总结与展望 31

5.1 总结 31

5.2 展望 31

参考文献 32

附录A 34

附录B 35

附录C 36

致 谢 37

第1章 绪论

1.1 课题的研究背景

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、大功率调速和电动汽车等领域中的应用越来越广泛。而电力电子变换器作为电力电子系统强弱电转换的中间环节，需要承受很高的开关频率和电热应力，发生故障的概率最高。在系统发生故障后，可能会导致系统的正常工作运行的能力下降，更严重时甚至可能会导致整个系统的失效，对经济造成十分惨重的损失。逆变器在整个电力电子系统中，处于关键的一个环节，同时也是最薄弱的环节，因此，设法提高逆变器的可靠性能够降低系统故障发生的概率，提高系统可靠运行的能力，这也已经成为近年来的研究热点^[1]。

可靠性是指产品在规定的时间和条件下，完成规定的功能的能力^[2]。无论是什么系统，在工作时都有可能发生故障，可靠性分析的过程是使系统的故障发生的可能性最小化的过程，分析出可靠性问题的所在，从而可以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，在产品的设计过程中的遗留下的缺陷会对产品在后续的使用过程产生影响，而且使用时间越久，出现故障时产品的维修费用会增加越快。可靠性是电力电子变换器的重要性能指标。产品的可靠性可以通过失效率、平均无故障时间（MTBF）等数据来评估，产品的可靠性越好，则其长时间正常工作的概率就越高，失效的概率就越低。“规定的条件”指产品在工作或使用时的外部条件，对于开关器件和电容来说，包括电压、电流应力以及热应力等因素；“规定的时间”指产品应该正常工作的时间，随着时间的不断推移，产品故障的概率会增加；“所需功能”指产品应该完成的功能。可靠性的高低会显著影响产品的综合成本，其包括生产成本、维修成本和由设备失效导致的经济损失等。