装备可靠性工程专栏

柔直输电系统MMC二次板卡可靠性试验与评价研究

李 丹1,2,陈勃琛1,2,潘广泽1,罗 琴1

(1.工业和信息化部电子第五研究所,广州 511370;2.广东省电子信息产品可靠性技术重点实验室,广州 511370)

摘要:模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)二次板卡作为柔性直流换流阀的控制、监测与保护装置,在柔性直流输电系统中发挥着关键性作用。针对柔性直流输电系统MMC二次板卡的可靠性需求,对其可靠性试验与评价方法进行了研究。分析了MMC二次板卡的特点,克服传统可靠性试验与评价方法对故障样品数量要求多、试验周期长的技术瓶颈;提出一种基于强化试验的薄弱环节快速激发技术来激发二次板卡的薄弱环节,研究了可靠性加速试验模型与评价方法;针对MMC二次板卡特点,提出一种基于应力分析的加速因子评估方法。最后利用该方法设计了具体的试验方案对一套二次板卡进行可靠性强化试验与加速试验。试验结果表明:该方法可以有效激发板卡的薄弱环节,找出板卡应力极限,评估板卡寿命。通过该方法可以有效地提升MMC二次板卡的可靠性水平。

关键词:模块化多电平换流器;柔性直流输电;可靠性试验;可靠性评价;加速因子

0 引言

柔性直流输电具有诸多技术优势,可实现大规模、高波动性可再生能源的平滑接入,多电源供电及多落点受电,能够提供灵活、快捷的潮流控制,是解决大范围电力传输、提高可再生能源利用率以及提升供电可靠性和系统稳定性等问题的有效方案。模块化多电平换流器(modular multi-level converter,MMC)二次板卡装置作为换流阀的控制、状态监测与保护装置,在柔性直流输电系统中发挥着关键性作用,其可靠性关系到整个输电系统的安全运行。而随着柔性直流输电领域信息技术与应用需求的发展,柔性直流输电的电压等级和传输能力的提高,使得MMC二次板卡无论在功能上还是在结构上都越来越复杂,对其可靠性水平的要求也越来越高[1]。但是目前在整个柔性直流换流阀和控制保护装备的研制生产中,由于产品的关键元器件、板级和设备等可靠性技术中存在可靠性工程管理缺失、可靠性设计与分析能力不足、可靠性试验与评价方法欠缺等问题,严重影响了柔性直流输电系统的整体可靠性水平[2-4],而MMC二次板卡在其中最为典型,因此亟需建立柔性直流输电MMC二次板卡可靠性试验与评价方法,从设计源头上找出产品缺陷和薄弱环节,从根本上提高产品的可靠性,为中国柔性直流输电工程保价护航。

目前国内外针对柔性直流输电系统可靠性的研究主要集中在系统级和装备级,以MMC装置本体与拓扑结构可靠性研究居多。如余娟等[5-6]将风速、温度和电气参数影响结合传统的可靠性建模与评估技术,提出一种计及多时间尺度热损伤效应的MMC可靠性评估模型。金恩淑等[7]提出了一种考虑寿命损耗影响的基于两参数威布尔分布的MMC可靠性模型,该模型可依据元件在不同运行时期故障率的变化建立MMC可靠性模型。在拓扑结构可靠性方面,李生虎等[8]用状态空间和分层等值算法,给出双MMC-HVDC 状态空间模型,建立可靠性指标对子块冗余数、元件故障率灵敏度的解析表达。许启东等[9]提出了一种构建子模块相关性场景的MMC可靠性分析方法,建立了计及子模块相关性的MMC可靠性分析模型并在相关工程得到示范应用。

而在二次板卡可靠性方面,目前的研究仅停留在板卡的可靠性初步建模与基于统计的寿命评估方面。如张颜燕[10]从损坏数据中挖掘影响板卡可靠性的因素,建立板卡可靠性模型,根据板卡损坏数据,采用最小二乘法,对板卡平均寿命进行评估。

以上研究在柔性直流输电MMC的系统级和设备级做了一些富有成效的工作,在二次板卡方面也做了初步工作[10]。但是传统的基于统计数据的可靠性评估的准确性很大程度上取决于故障样品的数量,而二次板卡在大系统中应用的数量少,故障样品极为有限,且收集故障样品需等待较长的时间,经济和时间成本均较高。因此亟需一套快速而有效的方法激发二次板卡的薄弱环节以及评估产品使用寿命。本文中提出的针对柔性直流输电MMC二次板卡的强化试验与加速试验方法,可以在小样本情况下快速激发产品薄弱环节,有效评估产品使用寿命,有助于发现产品故障机理,从设计源头改进产品可靠性。该方法同样适用于柔性直流换流阀和控制保护装备核心部件,从而为柔性直流输电系统保驾护航。

1 基于强化试验的薄弱环节快速激发技术

柔性直流输电系统MMC二次板卡是由大量的电子元器件和机械结构组件(如板卡接插件)等所组成,当某一电子元器件或组件的强度不足以抵抗所遭遇环境所产生的应力时,就会因为无法承受应力而产生失效[11-12]。应力与强度分布示意图如图1所示。二次板卡在生产及使用过程中,所受到的振动、冲击、温度及湿度等各种大小不一的环境应力,所产生的应力会形成一个分布fs(s),见图1左侧分布;同时二次板卡各元器件及组件的强度也是各不相同,因此强度也会形成一个分布fδ(δ),见图 1右侧分布。当二次板卡强度较弱的左侧,碰到环境应力较强的右侧,如图1斜线黑影区域,即可能发生强度低于环境应力的情况,就有发生失效的可能性。当二次板卡随着使用时间的增加,其强度逐渐退化而降低,即fδ(δ)分布整体左移,且分布更为扩散,如图2所示,会使得更多的强度较弱分布被应力较强分布所涵盖,失效的可能性也随之增加。

图1 应力与强度分布示意图

Fig.1 Diagram of stress and strength distributions

图2 强度-应力分布与失效时间模式的关系示意图

Fig.2 Schematic diagram of the relationship between strength-stress distribution and failure time modes

可靠性强化试验是一种利用阶梯应力激发产品薄弱环节的过程。其核心思想是利用高环境应力,尽早将柔性直流输电系统MMC二次板卡设计缺陷激发出来,从而消除设计缺陷[13],以获得柔性直流输电系统MMC二次板卡更宽的工作极限裕度,以及破坏极限界线,以求在设计阶段提高二次板卡的可靠性,可靠性强化试验前后分别如图3、图4所示。

图3 可靠性强化试验前

Fig.3 Before reliability enhancement test

图4 可靠性强化试验后

Fig.4 After reliability enhancement test

2 可靠性加速模型分析与试验

2.1 基于可靠性加速试验的可靠性评价方法

随着设计及生产技术的快速发展和进步,柔性直流输电核心装备的研制周期越来越短、更新换代的速度越来越快。尤其是在柔性直流输电系统中起重要作用的电子设备,其逐渐向小型化、数字化和集成化的方向发展,同时随着工艺和技术水平的进步,许多电子设备的可靠性指标已经达到了数千甚至上万小时以上。柔性直流输电系统MMC二次板卡可靠性水平的大幅提升,使得常规的可靠性试验方法难以满足高可靠性电子设备指标验证的需求。为快速评价柔性直流输电MMC二次板卡的可靠性水平,采用可靠性加速试验的方式已成为研制方最佳的选择。

可靠性加速试验是基于电子设备的故障物理分析结果,以确定电子设备的加速试验条件和加速因子,通过对电子设备施加高于正常水平的应力,实现在较短的时间内快速评估电子设备可靠性水平的试验方法[14-15]。可靠性加速试验解决了常规可靠性试验时间长、效率低及费用高等问题,适用于高可靠性(通常指标在5 000 h以上)、长寿命的电子设备。

2.2 加速因子评估方法

包括二次板卡在内的柔性直流换流阀和控制保护装备核心部件中的电子组件,其主要的敏感应力为温度应力、振动应力、电应力以及湿度应力等,其典型可靠性加速模型包括阿伦尼乌斯(Arrhenius)模型、逆幂率模型、诺里斯-兰兹伯格(Norris-landzberg)模型、派克(Peck)模型、艾琳(Eyring)模型、凯默尼(Kemeny)模型等。加速因子是反映在加速试验中应力水平对产品失效作用的严酷等级,也反映了加速试验中得到的寿命信息与实际使用条件的寿命信息之间的折算规律。

2.2.1 基于典型寿命分布的加速因子评估方法

若已知某部件服从典型的寿命分布函数,则采用基于典型寿命分布的加速因子评估方法。

1) 寿命分布为尺度参数函数族的情况。

尺度参数函数族寿命分布是指柔性直流换流阀和控制保护装备核心部件在应力si作用下的累积失效率函数。

Fi(t)=G(t/σi)

(1)

式(1)中,σi为尺度参数。

当柔性直流换流阀和控制保护装备核心部件在应力水平sisj分别作用时间titj的累积失效概率相同时,有:

G(tii)=G(tjj)

(2)

由于G(·)是严格单调函数,因此可得:

(3)

指数分布F(t)=1-e-λt是典型的尺度参数分布函数,因此指数分布的加速因子为:

(4)

2) 寿命分布为位置尺度参数函数族的情况。

位置尺度参数函数族寿命分布是指柔性直流换流阀和控制保护装备核心部件在应力Si作用下的累积失效率函数。

(5)

式(5)中:μi为位置参数; σi为尺度参数。

当某柔性直流换流阀和控制保护装备核心部件在应力水平SiSj分别作用时间titj的累积失效概率相同时,有:

(6)

由于G(·)是严格单调函数,且tj=kijti,因此可得:

(7)

该方程对于任意可靠寿命ti恒成立,因此必须满足:

(8)

典型的位置尺度参数族寿命分布包括正态分布、双参数指数分布、极值分布。

对于正态分布F(t)=Φ[(t-μ)],其加速因子和约束条件为:

(9)

对于双参数指数分布F(t)=Φ[(t-μ)],其加速因子和约束条件为:

(10)

对于极值分布F(t)=1-exp[λ(t-γ)],其加速因子和约束条件为:

(11)

通过式(9)和式(11)可知,对于正态分布和极值分布的加速因子为2个应力水下2个参数的各自比值,且2个参数的各自比值相等。

3) 寿命分布为对数位置/尺度参数函数族的情况。

对数位置/尺度参数函数族寿命分布是指柔性直流换流阀和控制保护装备核心部件在应力Si作用下的累积失效率函数,即:

(12)

当其在应力水平SiSj分别作用时间titj的累积失效概率相同时,有:

(13)

由于G(·)是严格单调函数,且tj=kijti,因此可得:

(14)

该方程对于任一可靠寿命ti恒成立,因此必须满足:

(15)

式(15)得出了对数位置/尺度参数函数族寿命分布在不同应力水平下的加速因子和约束条件为:

kij=exp(μj-μi)

(16)

σi=σj

(17)

典型的位置尺度参数族寿命分布包括对数正态分布和威布尔分布。

对于对数正态分布F(t)=Φ[(lnt-μ)](其中μ>3σ,Φ(·)为标准正态分布)其加速因子和约束条件为:

kij=exp(μj-μi)

(18)

σi=σj

(19)

对于威布尔分布F(t)=1-exp[-(t/η)m],由于其等价于F(t)=1-exp{-exp[(lnt-μ)]},其中m是形状参数,η是特征寿命,μ=lnη,σ=1/m,可以看成极值分布,其加速因子和约束条件为:

(20)

mi=mj

(21)

4) 3参数对数威布尔分布。

对于3参数威布尔分布F(t)=1-exp{-[(t-γ)]m}(其中γ是尺度参数,t>γ),加速因子与不同应力水平下的分布参数约束为:

(22)

mi=mj

(23)

γjηi=γiηj

(24)

5) 3参数对数正态分布。

对于3参数对数正态分布F(t)=Φ{[ln(t-γ)-μ]}(其中t>γ,Φ(·)为标准正态分布),加速因子与不同应力水平下的分布参数约束为:

kij=γji=exp(μj-μi)

(25)

σi=σj

(26)

lnγj-lnγi=μj-μi

(27)

2.2.2 基于应力分析的加速因子评估方法

针对二次板卡电子组件,采用基于应力分析的加速因子评估方法对其加速因子进行评估。首先,确定电子组件器件组成清单、统计器件类型和数量。然后,根据环境条件分析各类元器件的失效机理,并根据失效机理对应的失效物理模型,建立电子组件的基本可靠性模型。在此基础上,根据电子组件环境条件、各类元器件数量、使用环境条件以及元器件激活能等信息,计算电子组件在使用环境条件下和加速试验条件下的失效率。最后,评估电子组件在加速试验条件下相对使用环境条件下的加速因子。其评估流程如图5所示。

图5 基于应力分析的加速因子评估方法

Fig.5 Acceleration factor evaluation method based on stress analysis

应力水平数的选取是加速试验的关键。二次板卡采用可靠性加速寿命试验方法,可通过分析可靠性加速寿命试验时间以及前期评估得到的加速因子,确定二次板卡的平均故障间隔时间。采用基于应力分析的方法对二次板卡开展加速因子评估,开展单应力水平数的可靠性加速寿命试验,根据试验数据,评估二次板卡的可靠性水平。

为确定二次板卡可靠性加速寿命试验的最大应力量值时,应充分进行调研以获得产品的完整的组成和耐受环境条件的信息,尽可能避免调研的不足和考虑不充分造成的疏漏;同时,在确定最高应力时应留有更多的余量,避免疏漏可能造成的不良影响。综合考虑二次板卡设计规范规定的高温工作极限、组成二次板卡各类元器件的工作温度范围以及可靠性强化试验结果,以确定二次板卡可靠性加速寿命试验的试验应力。

试验采用基于应力分析与阿伦尼斯模型相结合方法来评估二次板卡可靠性加速寿命试验时间,先利用阿伦尼斯模型评估各类元器件在可靠性加速试验条件下相对于正常应力下的加速因子,再按照基于应力分析的方法得到二次板卡的加速因子,最后,根据选定的统计试验方案确定试验时间。

元器件加速因子的评估上,由于二次板卡可靠性加速寿命试验应力类型采用高温应力,因此,采用温度应力模型来评估元器件的加速因子。

高温应力的加速因子由Arrhenius(阿伦尼乌斯)模型计算所得,有:

(28)

式(28)中:Acc为温度Ta相对于Tu的加速因子;Ea为激活能,以eV为单位,根据IEC61709、IEC62380、IPC279、GJB299C等标准及元器件试验值和相关文献获取;K为玻尔兹曼常数,8.617 3×10-5 eV/K。

二次板卡高温条件下的加速因子计算公式为

(29)

式(29)中:λi表示在正常应力水平下第i个组成单元的失效率;表示在加速应力水平下第i个组成单元的失效率;λs表示在正常应力水平下产品的失效率;表示在加速应力水平下产品的失效率;n表示组成产品的单元数。

3 可靠性试验与评价案例

3.1 MMC功率模块二次板卡强化试验

本次强化试验的对象为柔性直流输电换流阀MMC功率模块内部全套二次板卡,包括了功率模块控制板、高位取能电源、2块IGBT驱动板、旁路开关触发板和旁路晶闸管触发板。这些二次板卡的作用是接收阀控对功率模块的控制命令,控制模块内的电气部件按阀控指令进行动作,并实时监测模块电容电压及各个电气部件及板卡自身的状态信息上送给阀控,并在功率模块内出现故障时控制模块执行保护动作。

可靠性强化试验前的准备工作除样品安装调试等相关工作外,还包括温度响应调查和振动响应调查。采用红外热成像仪对智能电能表进行非接触式温度调查,以便了解受试控制系统的热分布及温升情况;同时,也对二次板卡开展振动响应调查分析,以便获取其振动响应量值,为试验中的故障排除提供参考。强化试验项目包括低温步进应力试验、高温步进应力试验、快速温度循环试验、振动步进试验和综合环境试验,各试验项目间相互关系和次序如图6所示。

图6 试验实施流程

Fig.6 Test implementation process

通过温度响应调查和振动响应调查结果,考虑该二次板卡的元器件温度承受极限及实际使用环境温度极限等因素,将低温步进应力试验的结束温度定为-40 ℃,高温步进应力试验的结束温度定为100 ℃,动步进试验结束量级为60 g。设计的各阶段实验步骤如下。

步骤1 低温步进应力试验的应力施加。

a) 以0 ℃作为低温步进应力试验的起始温度;

b) 在温度达到-20 ℃之前,以10 ℃为步长,-10 ℃之后,以-5 ℃为步长;

c) 每个温度台阶上停留时间为:二次板卡达到温度稳定时间+10 min+测试时间;

d) 二次板卡测试前应进行3次起动检测,以考核二次板卡在极端温度下的起动能力,3次起动后进行二次板卡功能及性能检测,测试完毕后断电;

e) 低温步进应力试验终止条件:以-40 ℃为低温步进试验结束温度,或者已经找到二次板卡的低温工作极限。

步骤2 高温步进应力试验的应力施加。

a) 以30 ℃作为高温步进应力试验的起始温度;

b) 在温度达到50 ℃之前,以10 ℃为步长,50 ℃之后,以5 ℃为步长;

c) 每个温度台阶上停留时间为:二次板卡达到温度稳定时间+10 min+测试时间;

d) 二次板卡测试前应进行3次起动检测,以考核二次板卡在极端温度下的起动能力,3次起动后进行二次板卡功能及性能检测,测试完毕后断电;

e) 高温步进应力试验终止条件:以100 ℃为高温步进试验结束温度,或者已经找到二次板卡的高温工作极限。

步骤3 快速温度循环试验的应力施加。

a) 快速温度循环试验从低温阶段开始;

b) 温度范围:低温工作极限温度+5 ℃~高温工作极限温度-5 ℃;

c) 循环次数:5个完整循环周期;

d) 温度变化速率为40 ℃/min;

e) 每个循环中低温和高温阶段的停留时间为:二次板卡达到温度稳定时间+10 min+测试时间;

f) 每个循环低、高温温度台阶测试前应进行3次起动检测,以考核二次板卡在极端温度下的起动能力,3次起动检测后对二次板卡连续通电、测试,直至升温(降温)结束后断电。

步骤4 振动步进试验的应力施加。

a) 振动频率范围:5~5 000 Hz;

b) 振动形式:三轴6自由度超高斯随机振动;

c) 起始振动量级:5 g;

d) 振动步进步长:5 g;

e) 每个振动量级保持10 min,在每个振动步进台阶都需要进行测试;

f) 二次板卡施加标称电压;

g) 当振动量级达30 g后,在每个振动量级台阶结束后将振动量级降至5 g,以及时发现在高量级振动时出现的焊点断裂的情况,振动维持时间一般以能够完成一个完整的测试为准;

h) 振动步进应力试验终止条件:以60 g作为振动步进试验结束量级,或者已经找到二次板卡的工作极限。

步骤5 综合环境试验的应力施加。

a) 温度应力的施加方法同快速温度循环的施加方法;

b) 循环次数:5个完整循环周期;

c) 二次板卡的振动工作极限除以5作为振动步进的起始振动量级,每次增加该值作为下一循环的振动量级,第五循环振动量级为振动工作极限减5 g;

d) 每个振动量级对应一个温度循环周期;

e) 施加振动时机与持续时间:在每个循环的升温段开始前5 min施加相应的振动量级直至升温段结束后5 min;在每个循环的降温段开始前5 min施加相应的振动量级直至降温段结束,然后将振动量级降至5g并维持5 min;

f) 在振动应力施加期间对二次板卡进行通电测试;

g) 每个循环中低温和高温阶段的停留时间为:二次板卡达到温度稳定时间+10 min+测试时间。

2022年5月16日至2022年5月25日,该型MMC功率模块二次板卡受试产品,按本文中提出的试验条件和方法进行了可靠性强化试验。因二次板卡本身自带外壳,6块板卡被固定在外壳上成为一个整体,板卡互相之间没有位移,故在温度步进试验及快速温度循环试验时,将二次板卡直接放置在强化试验箱内,底座放置木条以保证装置安放平稳,而在开展二次板卡振动步进试验和综合环境试验时,受试产品用螺栓将样品工装刚性地固定在振动台上。试验箱内部安装如图7所示。试验中共发生了5次故障,具体如表1所示。

表1 故障情况汇总表

Table 1 Summary of fault conditions

故障日期试验阶段故障应力故障现象故障原因2022.5.23综合环境应力试验在第1个循环高温阶段施加振动时检测 温度:80 ℃振动:10 g二次板卡上位机界面 “K异常”灯变红初步认定故障原因为旁路开关触发板中MOS管的散热器未在板卡上固定,在施加振动时,MOS管引脚承受较大拉力而断裂,从而触发故障报警。2022.5.25综合环境应力试验在第4个循环低温阶段施加振动时检测温度:-35 ℃振动:40 g二次板卡上位机界面 “驱动OK”灯和“GU”灯变红初步认定故障原因为下管IGBT驱动板的取能磁环的2号引脚脱落,从而触发故障报警。2022.5.25综合环境应力试验在第4个循环低温阶段施加振动时检测温度:-35 ℃振动:40 g二次板卡上位机界面 “驱动OK”灯和“V2回报灯”灯变红初步认定故障原因为下管IGBT驱动板驱动板光接收管的信号接收电阻的并联飞线电阻引脚出现脱落,从而触发故障报警。2022.5.25综合环境应力试验在第4个循环低温阶段施加振动时检测温度:-35 ℃振动:40 g二次板卡上位机界面 “驱动OK”灯和“GU灯”灯变红初步认定故障原因为下管IGBT驱动板取能变压器的副边引脚全部脱落,从而触发故障报警。2022.5.25实验结束后查看样品-查看样品,发现旁路开关触发板的C9位号电容脱落旁路开关触发板的C9位号电容脱落

图7 强化试验样品安装图

Fig.7 Installation diagram of enhancement test sample

通过本次可靠性强化试验的结果可以得出该型号MMC二次板卡的应力极限,由于该样品在低温步进试验和高温步进试验中均未发生故障,故其低温极限为优于-40 ℃;高温极限为优于85 ℃,振动极限为优于50 g,同时5个故障反应了产品的薄弱环节。

3.2 MMC功率模块二次板卡加速试验

本次试验的考察目标是某型MMC功率模块二次板卡在45 ℃条件下工作10年。根据二次板卡使用环境的特点,影响二次板卡寿命的主要环境因素为温度。因此,选取高温应力作为二次板卡可靠性加速寿命试验的应力。综合考虑到各元器件的温度承受程度,选择80 ℃作为该二次板卡加速试验环境温度。

根据图5及式(29)所示的加速因子计算方法,得到二次板卡加速应力水平下的加速因子如表2所示。

表2 二次板卡加速应力水平下加速因子的评估结果

Table 2 Evaluation results of accelerated factors under accelerated stress level of secondary board card

45 ℃应力水平失效率/(10-6·h-1)80 ℃加速应力水平失效率/(10-6·h-1)加速因子9.454 749.332 55.22

通过收集二次板卡元器件信息,利用2.2.2节中式(28)、式(29)计算评估可知,该二次板卡在45 ℃应力水平失效率为9.454 7×10-6 h-1,在80 ℃加速应力水平失效率49.332 5×10-6 h-1,因此该加速应力条件下的加速因子为5.22。

二次板卡可靠性加速寿命试验方案采用GJB899A规定的定时截尾统计30-1号试验方案,参数如表3所示。

表3 统计试验方案参数

Table 3 Statistical test scheme parameters

判决风险αβ鉴别比D=θ0/θ1有效试验时间(θ1的倍数)判决责任故障数r拒收(≥)接收(≤)30%30%3.371.20410

其中,α为生产方风险,β为使用方风险,θ0为MTBF检验上限,θ1为MTBF检验下限。

根据试验方案,二次板卡可靠性加速寿命试验的总试验时间为:

T=1.204×87 600=105 530.6(h)

(30)

由于二次板卡80 ℃加速应力水平下的加速因子为5.22,试验样品数量为4台,因此,单台二次板卡的试验时间为:

T=105 530.6÷5.22÷4=5 054.15(h)

(31)

综合以上分析,整个试验时间计划按照5 055 h计划安排,在试验过程中,根据实际情况进行调整,如果提前得到足以评估可靠性的信息,则提前结束试验。

本试验于2021年9月27日10∶30开始,至2022年5月7日14∶00结束,在典型工况下实际运行5 094 h(期间因更换外接电源设备,试验暂停237.5 h)。试验过程中,该型MMC功率模块二次板卡没有出现故障性警报。试验箱内安装如图8所示。

图8 加速试验样品安装图

Fig.8 Installation diagram of accelerated test sample

根据试验情况,4套二次板卡在80 ℃条件下的试验时间均为5 094 h,等效45 ℃温度条件下工作5 094×4×5.22=106 362.7 h,试验期间未发生故障,满足工作温度45 ℃应力条件下的平均故障间隔时间(MTBF)10 y的要求。二次板卡在工作温度45 ℃应力条件下MTBF的置信下限为:5 094×4×5.22×0.831=88 387.4 h(置信度为70%)。

3.3 试验结果分析

通过选取相关厂家的MMC功率模块二次板卡分别设计了可靠性强化试验和可靠性加速试验方案,并进行了试验。通过可靠性强化试验发现当前MMC功率模块二次板卡发生故障时均为在施加振动应力时,表明当前产品在抗震设计上有所欠缺,因此在产品运输途中以及在运行过程中的场地振动时,易发生故障。建议在板卡上更换一些质量较小的部件,同时增加焊点的牢固程度。对于一些质量较大、体积较大的元器件(如取能变压器),建议更改焊接方式,保证其连接点的牢固性。进行的加速试验未发生故障,验证了本文产品的使用寿命,表明该MMC功率模块二次板卡在温度为应力的条件下,在运行环境温度不超过45 ℃时,一般是可以达到稳定运行10年的要求。

4 结论

1) 柔性直流输电系统MMC功率模块二次板卡是可归为典型的电子产品,可使用Arrhenius(阿伦尼乌斯)加速模型进行加速因子评估,并再按照基于应力分析的方法得到二次板卡的加速因子,最终根据选定的统计试验方案确定试验时间。

2) 通过包括了低温步进应力试验、高温步进应力试验、快速温度循环试验、振动步进试验和综合环境试验在内的可靠性强化试验,可确定二次板卡的应力极限,快速激发二次板卡的薄弱环节。

3) 通过柔性直流输电系统MMC功率模块二次板卡可靠性强化试验与加速试验,可以发现二次板卡在设计工艺、零部件、元器件和工艺等方面的缺陷,并对产品的使用寿命进行评价。

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Reliability test and evaluation study on MMC secondary board cards in flexible DC transmission system

LI Dan1,2,CHEN Bochen1,2,PAN Guangze1,LUO Qin1

(1.China Electronic Product Reliability and Environmental Testing Research Institute,Guangzhou 511370,China; 2.Guangdong Provincial Key Laboratory of Electronic Information Products Reliability Technology,Guangzhou 511370,China)

AbstractThe secondary board cards of modular multilevel converter (MMC),which serves as a device to control,monitor and protect flexible DC converter valves,plays a key role in the flexible DC transmission system.An exploration is conducted on the reliability test and evaluation model of secondary MMC board cards around its reliable requirements in the transmission system.The characteristics of MMC secondary boards are analyzed to overcome the technical bottlenecks of traditional reliability test and evaluation methods,which require a large number of failure samples and a long test cycle;A weak link rapid excitation technique based on intensive test is proposed to excite the weak links of secondary boards,and the reliability accelerated test model and evaluation method are studied;An acceleration factor evaluation method based on stress analysis is proposed for MMC secondary board characteristics.Finally,a specific test scheme is designed by using this method to carry out reliability enhancement and accelerated tests on a set of secondary board cards.The test results show that this method is an effective way to stimulate the weak links of the board and find out its stress limit,thus evaluating its life expectancy.The reliable level of secondary MMC board cards can be greatly improved by this approach.

Key wordsmodular multilevel converter; flexible DC transmission; reliability test; reliability evaluation; accelerated factor

本文引用格式:李丹,陈勃琛,潘广泽,等.柔直输电系统MMC二次板卡可靠性试验与评价研究[J].兵器装备工程学报,2023,44(9):186-194.

Citation format:LI Dan,CHEN Bochen,PAN Guangze,et al.Reliability test and evaluation study on MMC secondary board cards in flexible DC transmission system[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2023,44(9):186-194.

中图分类号:TP202+.1

文献标识码:A

文章编号:2096-2304(2023)09-0186-09

收稿日期:2023-01-29;

修回日期:2023-02-20

基金项目:广东省重点领域研发计划项目(2019B111109001)

作者简介:李丹(1986—),男,博士,高级工程师,E-mail:lidanbuaa@sina.com。

通信作者:潘广泽(1989—),男(壮族),硕士,高级工程师,E-mail:panguangze@126.com。

doi:10.11809/bqzbgcxb2023.09.024

科学编辑 黄景德 博士(吉林大学教授)

责任编辑 徐佳忆