本書重點(diǎn)介紹電力電子系統(tǒng)可靠性的分析和設(shè)計(jì)方法。電力電子系統(tǒng)可靠性涉及可靠性工程、材料科學(xué)與工程、電工電子技術(shù)、自動(dòng)控制理論等,是一門多學(xué)科交叉的應(yīng)用型技術(shù)。本書從元器件級(jí)出發(fā),分別介紹各種工況下的開關(guān)管、開關(guān)模塊、電容等元器件的多時(shí)間尺度壽命預(yù)測方法、在線監(jiān)控技術(shù)和可靠性提升策略,然后從系統(tǒng)級(jí)層面評(píng)估電力電子系統(tǒng)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(guān)領(lǐng)域的科研人員了解并掌握電力電子系統(tǒng)可靠性的分析和設(shè)計(jì)方法,并將其靈活運(yùn)用在科研平臺(tái)搭建和產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中,為促進(jìn)我國電力電子產(chǎn)品可靠性的提高貢獻(xiàn)微薄之力。
隨著電力電子裝置和元器件的廣泛應(yīng)用，如新能源、數(shù)據(jù)中心、電氣化智能化交通、多電或全電飛機(jī)、智能電網(wǎng)以及生物醫(yī)學(xué)等，電力電子裝置作為能量變換的關(guān)鍵環(huán)節(jié)通常是系統(tǒng)壽命和可靠性的短板，對系統(tǒng)的安全性和全壽命周期成本產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。我國電力電子領(lǐng)域發(fā)展迅速，應(yīng)用需求不斷擴(kuò)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(jìn)與出版將對國內(nèi)學(xué)術(shù)界、工業(yè)界提供非常有價(jià)值的指導(dǎo)和幫助。
譯者序
原書主編為香港城市大學(xué)鐘樹鴻(Henry Shu-hung Chung)教授,奧爾堡大學(xué)王懷(Huai Wang)教授、Frede Blaabjerg 教授,馬里蘭大學(xué)Michael Pecht 教授。原書由英國工程技術(shù)學(xué)會(huì)(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(lǐng)域知名專家撰寫。原書彌補(bǔ)了電力電子可靠性領(lǐng)域圖書的空白,受到國際上各大高校、研究所和企業(yè)的廣泛關(guān)注。
近50年來,電力電子領(lǐng)域的研究更多地關(guān)注于電能變換效率和功率密度的提高、研發(fā)和生產(chǎn)成本的降低,缺乏可靠性方面的系統(tǒng)考慮,以及與可靠性工程學(xué)科的有效結(jié)合。隨著電力電子裝置和器件的廣泛應(yīng)用,如新能源、數(shù)據(jù)中心、電氣化智能化交通、多電或全電飛機(jī)、智能電網(wǎng)以及生物醫(yī)學(xué)等,電力電子裝置作為能量變換的關(guān)鍵環(huán)節(jié)通常是系統(tǒng)壽命和可靠性的短板,對系統(tǒng)的安全性和全壽命周期成本產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。中國在電力電子領(lǐng)域發(fā)展迅速,應(yīng)用需求不斷擴(kuò)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?qū)W(xué)術(shù)界、工業(yè)界的廣大同仁了解該交叉領(lǐng)域的發(fā)展提供一定的幫助。
全書共16章,內(nèi)容涵蓋以下幾個(gè)方面:1)可靠性工程概念和方法在現(xiàn)代電力電子中的應(yīng)用及其面臨的挑戰(zhàn);2)電力電子器件的可靠性(包含封裝、功率半導(dǎo)體開關(guān)、電容器);3)電力電子器件物理失效機(jī)理;4)電力電子器件壽命及可靠性建模方法(包含功率半導(dǎo)體開關(guān)、電容器);5)基于長時(shí)間尺度運(yùn)行工況的電力電子系統(tǒng)可靠性建模方法;6)面向可靠性的電力電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)及控制方法(包含面向可靠性的設(shè)計(jì)概念、有源電容器的設(shè)計(jì)、主動(dòng)溫度控制方法等);7)電力電子變換器的異常檢測、容錯(cuò)控制、健康狀況評(píng)估;8)開關(guān)電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、光伏、風(fēng)電及大功率變換器等應(yīng)用中面臨的可靠性問題及研究現(xiàn)狀。
原書由中國香港城市大學(xué)鐘樹鴻教授（Henry Shu-hung Chung）, 丹麥奧爾堡大學(xué)王懷教授（Huai Wang）、Frede Blaabjerg 教授，美國馬里蘭大學(xué)Michael Pecht 教授主編。原書于2015年由英國工程技術(shù)學(xué)會(huì)（Institution of Engineering and Technology，IET）出版，共16章，分別由電力電子及可靠性領(lǐng)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(tǒng)中的應(yīng)用
1.1電力電子系統(tǒng)的性能指標(biāo)
1.1.1電力電子變換器
1.1.2電力電子變換器的設(shè)計(jì)目標(biāo)
1.1.3典型電力電子應(yīng)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(guān)鍵術(shù)語和指標(biāo)
1.2.2電力電子與可靠性工程的發(fā)展歷史
1.2.3電力電子器件物理失效機(jī)理
1.2.4面向可靠性的電力電子變換器設(shè)計(jì)
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(tǒng)可靠性的策略
1.3電力電子可靠性研究的挑戰(zhàn)與機(jī)遇
1.3.1電力電子系統(tǒng)可靠性研究的挑戰(zhàn)
1.3.2電力電子可靠性研究的機(jī)遇
參考文獻(xiàn)
第2章電力電子的異常檢測和剩余壽命預(yù)測
2.1引言
2.2失效模型
2.2.1時(shí)間相關(guān)的電介質(zhì)擊穿模型
2.2.2基于能量的模型
2.2.3熱循環(huán)模型
2.3用于失效機(jī)理分析的FMMEA
2.4基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的壽命預(yù)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(jì)方法
2.4.5基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的電路的異常檢測和預(yù)測
2.4.6基于金絲雀方法的電路的異常檢測和預(yù)測
2.5總結(jié)
參考文獻(xiàn)
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(zhàn)
3.2電容器的失效機(jī)理和壽命模型
3.2.1DC-link電容器的失效模式、失效機(jī)理和關(guān)鍵應(yīng)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(shè)計(jì)
3.3.1六種典型的DC-link設(shè)計(jì)方案
3.3.2容性DC-link的可靠性設(shè)計(jì)方法
3.4DC-link電容器的狀態(tài)監(jiān)測
參考文獻(xiàn)
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(huán)測試
4.3.3功率循環(huán)測試
4.3.4高壓釜測試
4.3.5柵極電介質(zhì)可靠性測試
4.3.6高強(qiáng)度加速應(yīng)力試驗(yàn)(HAST)
4.3.7高溫存儲(chǔ)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(dǎo)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(shù)
4.6總結(jié)
參考文獻(xiàn)
第5章功率半導(dǎo)體模塊的壽命預(yù)測模型
5.1加速循環(huán)測試
5.2主要失效機(jī)理
5.3壽命模型
5.3.1熱建模
5.3.2經(jīng)驗(yàn)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(yù)測
5.4基于物理建模的功率半導(dǎo)體模塊焊點(diǎn)壽命估計(jì)
5.4.1應(yīng)力-應(yīng)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(yù)測模型
5.5基于物理建模的焊點(diǎn)壽命模型示例
5.5.1熱仿真
5.5.2應(yīng)力-應(yīng)變建模
5.5.3應(yīng)力-應(yīng)變分析
5.5.4模型驗(yàn)證
5.5.5壽命曲線的提取
5.5.6模型精度和參數(shù)敏感度
5.5.7壽命預(yù)測工具
5.6總結(jié)
參考文獻(xiàn)
第6章電力電子變換器最小化DC-link電容器設(shè)計(jì)
6.1引言
6.2性能權(quán)衡
6.3無源方法
6.3.1無源濾波技術(shù)
6.3.2紋波減小技術(shù)
6.4有源方法
6.4.1功率解耦技術(shù)
6.4.2紋波減小技術(shù)
6.4.3控制和調(diào)制方法
6.4.4特殊電路結(jié)構(gòu)
6.5總結(jié)
參考文獻(xiàn)
第7章風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可靠性
7.1引言
7.2主要風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中電力電子架構(gòu)綜述
7.2.1陸上和海上風(fēng)電機(jī)組
7.3電力電子變換器可靠性
7.3.1可靠性結(jié)構(gòu)
7.3.2SCADA數(shù)據(jù)
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(jié)
7.5故障的根本原因
7.6提升風(fēng)電機(jī)組變換器的可靠性和可用性的方法
7.6.1結(jié)構(gòu)
7.6.2熱管理
7.6.3控制
7.6.4監(jiān)測
7.7總結(jié)
7.8建議
參考文獻(xiàn)
第8章提升電力電子系統(tǒng)可靠性的主動(dòng)熱控制方法
8.1引言
8.1.1電力電子的熱應(yīng)力和可靠性
8.1.2提高可靠性的主動(dòng)熱控制概念
8.2減小熱應(yīng)力的調(diào)制方法
8.2.1調(diào)制方法對熱應(yīng)力的影響
8.2.2額定工況下的調(diào)制方法
8.2.3故障條件下的調(diào)制方法
8.3優(yōu)化熱循環(huán)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(fēng)電機(jī)組的案例分析
8.3.3并聯(lián)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(yīng)力的影響
8.4.2大型風(fēng)電變換器中的儲(chǔ)能裝置
8.5總結(jié)
參考文獻(xiàn)
第9章功率器件的壽命建模及預(yù)測
9.1引言
9.2功率模塊的故障機(jī)理
9.2.1封裝相關(guān)故障機(jī)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(shù)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(shè)計(jì)
9.4.1基于任務(wù)剖面的壽命預(yù)測
9.4.2具有恒定故障率的系統(tǒng)的壽命建模
9.4.3低周疲勞的壽命建模
9.5總結(jié)和結(jié)論
參考文獻(xiàn)
第10章功率模塊的壽命測試和狀態(tài)監(jiān)測
10.1功率循環(huán)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(huán)測試的應(yīng)力
10.3功率模塊的老化失效
10.3.1導(dǎo)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(jiān)測的應(yīng)用
10.4.2老化和失效機(jī)理
10.4.3故障后調(diào)查
10.5芯片溫度估計(jì)
10.5.1簡介
10.5.2結(jié)溫預(yù)測方法綜述
10.5
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