本書重點介紹電力電子系統可靠性的分析和設計方法。電力電子系統可靠性涉及可靠性工程、材料科學與工程、電工電子技術、自動控制理論等,是一門多學科交叉的應用型技術。本書從元器件級出發,分別介紹各種工況下的開關管、開關模塊、電容等元器件的多時間尺度壽命預測方法、在線監控技術和可靠性提升策略,然后從系統級層面評估電力電子系統整體的可靠性,并介紹其改善方法。
本書旨在幫助從事電力電子、電氣工程和可靠性工程等相關領域的科研人員了解并掌握電力電子系統可靠性的分析和設計方法,并將其靈活運用在科研平臺搭建和產品設計過程中,為促進我國電力電子產品可靠性的提高貢獻微薄之力。
隨著電力電子裝置和元器件的廣泛應用，如新能源、數據中心、電氣化智能化交通、多電或全電飛機、智能電網以及生物醫學等，電力電子裝置作為能量變換的關鍵環節通常是系統壽命和可靠性的短板，對系統的安全性和全壽命周期成本產生至關重要的影響。我國電力電子領域發展迅速，應用需求不斷擴大，電力電子可靠性成為亟需研究的重要方向之一，本書的引進與出版將對國內學術界、工業界提供非常有價值的指導和幫助。
譯者序
原書主編為香港城市大學鐘樹鴻(Henry Shu-hung Chung)教授,奧爾堡大學王懷(Huai Wang)教授、Frede Blaabjerg 教授,馬里蘭大學Michael Pecht 教授。原書由英國工程技術學會(Institution of Engineering and Technology,IET)于2015年出版。全書共16章,由電力電子及可靠性領域知名專家撰寫。原書彌補了電力電子可靠性領域圖書的空白,受到國際上各大高校、研究所和企業的廣泛關注。
近50年來,電力電子領域的研究更多地關注于電能變換效率和功率密度的提高、研發和生產成本的降低,缺乏可靠性方面的系統考慮,以及與可靠性工程學科的有效結合。隨著電力電子裝置和器件的廣泛應用,如新能源、數據中心、電氣化智能化交通、多電或全電飛機、智能電網以及生物醫學等,電力電子裝置作為能量變換的關鍵環節通常是系統壽命和可靠性的短板,對系統的安全性和全壽命周期成本產生至關重要的影響。中國在電力電子領域發展迅速,應用需求不斷擴大,使得電力電子可靠性成為亟需研究的重要方向之一。希望原書的中譯本能夠對學術界、工業界的廣大同仁了解該交叉領域的發展提供一定的幫助。
全書共16章,內容涵蓋以下幾個方面:1)可靠性工程概念和方法在現代電力電子中的應用及其面臨的挑戰;2)電力電子器件的可靠性(包含封裝、功率半導體開關、電容器);3)電力電子器件物理失效機理;4)電力電子器件壽命及可靠性建模方法(包含功率半導體開關、電容器);5)基于長時間尺度運行工況的電力電子系統可靠性建模方法;6)面向可靠性的電力電子系統設計及控制方法(包含面向可靠性的設計概念、有源電容器的設計、主動溫度控制方法等);7)電力電子變換器的異常檢測、容錯控制、健康狀況評估;8)開關電源、電機驅動、光伏、風電及大功率變換器等應用中面臨的可靠性問題及研究現狀。
原書由中國香港城市大學鐘樹鴻教授（Henry Shu-hung Chung）, 丹麥奧爾堡大學王懷教授（Huai Wang）、Frede Blaabjerg 教授，美國馬里蘭大學Michael Pecht 教授主編。原書于2015年由英國工程技術學會（Institution of Engineering and Technology，IET）出版，共16章，分別由電力電子及可靠性領域國際知名專家撰寫。
目錄
譯者序
第1章可靠性工程在電力電子系統中的應用
1.1電力電子系統的性能指標
1.1.1電力電子變換器
1.1.2電力電子變換器的設計目標
1.1.3典型電力電子應用中的可靠性需求
1.2電力電子與可靠性工程
1.2.1可靠性工程中的關鍵術語和指標
1.2.2電力電子與可靠性工程的發展歷史
1.2.3電力電子器件物理失效機理
1.2.4面向可靠性的電力電子變換器設計
1.2.5可靠性工程中加速測試的概念
1.2.6提高電力電子變換器系統可靠性的策略
1.3電力電子可靠性研究的挑戰與機遇
1.3.1電力電子系統可靠性研究的挑戰
1.3.2電力電子可靠性研究的機遇
參考文獻
第2章電力電子的異常檢測和剩余壽命預測
2.1引言
2.2失效模型
2.2.1時間相關的電介質擊穿模型
2.2.2基于能量的模型
2.2.3熱循環模型
2.3用于失效機理分析的FMMEA
2.4基于數據驅動的壽命預測方法
2.4.1變量縮減法
2.4.2Mahalanobis距離確定故障閾值
2.4.3K-近鄰算法
2.4.4基于粒子濾波的剩余壽命估計方法
2.4.5基于數據驅動的電路的異常檢測和預測
2.4.6基于金絲雀方法的電路的異常檢測和預測
2.5總結
參考文獻
第3章電力電子變換器DC-link電容器可靠性
3.1電力電子變換器DC-link電容器
3.1.1用于DC-link的幾種典型電容器
3.1.2不同種類DC-link電容器的對比
3.1.3電力電子變換器中電容器的可靠性挑戰
3.2電容器的失效機理和壽命模型
3.2.1DC-link電容器的失效模式、失效機理和關鍵應力
3.2.2DC-link電容器的壽命模型
3.2.3濕度條件下DC-link電容器的加速壽命測試
3.3DC-link的可靠性設計
3.3.1六種典型的DC-link設計方案
3.3.2容性DC-link的可靠性設計方法
3.4DC-link電容器的狀態監測
參考文獻
第4章電力電子器件封裝的可靠性
4.1引言
4.2電力電子器件封裝的可靠性概念
4.3電力電子器件封裝的可靠性測試
4.3.1熱沖擊測試
4.3.2溫度循環測試
4.3.3功率循環測試
4.3.4高壓釜測試
4.3.5柵極電介質可靠性測試
4.3.6高強度加速應力試驗(HAST)
4.3.7高溫存儲壽命(HSTL)測試
4.3.8老化測試
4.3.9其他測試
4.4功率半導體封裝或模塊可靠性
4.4.1焊接可靠性
4.4.2鍵合線可靠性
4.5高溫電力電子模塊的可靠性
4.5.1功率襯底
4.5.2高溫管芯附著可靠性
4.5.3管芯頂面電氣互連
4.5.4封裝技術
4.6總結
參考文獻
第5章功率半導體模塊的壽命預測模型
5.1加速循環測試
5.2主要失效機理
5.3壽命模型
5.3.1熱建模
5.3.2經驗壽命模型
5.3.3基于物理的壽命模型
5.3.4基于PC壽命模型的壽命預測
5.4基于物理建模的功率半導體模塊焊點壽命估計
5.4.1應力-應變(磁滯)焊接行為
5.4.2組成焊料方程
5.4.3Clech算法
5.4.4基于能量的壽命預測模型
5.5基于物理建模的焊點壽命模型示例
5.5.1熱仿真
5.5.2應力-應變建模
5.5.3應力-應變分析
5.5.4模型驗證
5.5.5壽命曲線的提取
5.5.6模型精度和參數敏感度
5.5.7壽命預測工具
5.6總結
參考文獻
第6章電力電子變換器最小化DC-link電容器設計
6.1引言
6.2性能權衡
6.3無源方法
6.3.1無源濾波技術
6.3.2紋波減小技術
6.4有源方法
6.4.1功率解耦技術
6.4.2紋波減小技術
6.4.3控制和調制方法
6.4.4特殊電路結構
6.5總結
參考文獻
第7章風力發電系統可靠性
7.1引言
7.2主要風力發電系統中電力電子架構綜述
7.2.1陸上和海上風電機組
7.3電力電子變換器可靠性
7.3.1可靠性結構
7.3.2SCADA數據
7.3.3變換器可靠性
7.4組件的可靠性FMEA和前瞻性對比
7.4.1簡介
7.4.2組件
7.4.3小結
7.5故障的根本原因
7.6提升風電機組變換器的可靠性和可用性的方法
7.6.1結構
7.6.2熱管理
7.6.3控制
7.6.4監測
7.7總結
7.8建議
參考文獻
第8章提升電力電子系統可靠性的主動熱控制方法
8.1引言
8.1.1電力電子的熱應力和可靠性
8.1.2提高可靠性的主動熱控制概念
8.2減小熱應力的調制方法
8.2.1調制方法對熱應力的影響
8.2.2額定工況下的調制方法
8.2.3故障條件下的調制方法
8.3優化熱循環的無功功率控制
8.3.1無功功率的影響
8.3.2基于DFIG的風電機組的案例分析
8.3.3并聯變換器案例分析
8.4基于有功功率的熱控制
8.4.1有功功率對熱應力的影響
8.4.2大型風電變換器中的儲能裝置
8.5總結
參考文獻
第9章功率器件的壽命建模及預測
9.1引言
9.2功率模塊的故障機理
9.2.1封裝相關故障機理
9.2.2器件燒毀故障
9.3壽命模型
9.3.1壽命和可用性
9.3.2指數分布
9.3.3威布爾分布
9.3.4冗余
9.4壽命建模及元器件設計
9.4.1基于任務剖面的壽命預測
9.4.2具有恒定故障率的系統的壽命建模
9.4.3低周疲勞的壽命建模
9.5總結和結論
參考文獻
第10章功率模塊的壽命測試和狀態監測
10.1功率循環測試方法概述
10.2交流電流加速測試
10.2.1簡介
10.2.2交流功率循環測試的應力
10.3功率模塊的老化失效
10.3.1導通電壓測量方法
10.3.2電流測量
10.3.3冷卻溫度測量
10.4IGBT和二極管的電壓演變
10.4.1vce,on監測的應用
10.4.2老化和失效機理
10.4.3故障后調查
10.5芯片溫度估計
10.5.1簡介
10.5.2結溫預測方法綜述
10.5
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