晶闸管寿命评估方法与流程

1.本发明涉及核电厂晶闸管寿命评估方法，尤其涉及一种基于温度循环加速老化试验评估晶闸管寿命的方法。


背景技术：

2.晶闸管是一种大功率半导体元器件，常被用于整流、逆变、变频、斩波以及作为无触点开关，在核电厂内应用广泛，包括变频器、变流器等关键设备均有使用。晶闸管的工作时间长，使用频率高，一旦由于电压、电流、di/dt、dv/dt、温度等原因导致晶闸管老化降级会对设备使用产生直接影响。
3.目前，国内核电厂对晶闸管的老化与寿命管理基本为空白，管理手段基本为损坏或失效后进行维修更换，这种方法容易出现运行过程中晶闸管寿命到期而引起的突发性设备故障，影响机组运行。因此亟需一种对晶闸管进行寿命评估研究的方法。


技术实现要素：

4.有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种基于温度循环加速老化试验评估晶闸管寿命的方法。
5.为了达到上述目的，本发明采用以下的技术方案：
6.一种晶闸管寿命评估方法，包括如下步骤：对晶闸管进行加速老化试验，并根据加速老化试验结果计算老化参数降级到预订指标所需的平均运行时间；建立加速因子计算模型并计算加速因子，根据加速因子和平均运行时间进行晶闸管的寿命评估。
7.根据本发明的一些优选实施方面，所述加速老化试验为以温度循环为基础的加速老化试验。
8.根据本发明的一些优选实施方面，所述加速老化试验包括如下四组实验：
9.a.组别一先在得电条件下125℃运行20小时，然后在断电条件下-40℃运行20小时，后续重复得电125℃运行20小时，断电-40℃运行20小时，电压为额定电压的120％循环运行。
10.b.组别二先在得电条件下135℃运行20小时，然后在断电条件下-40℃运行20小时，后续重复得电135℃运行20小时，断电-40℃运行20小时，电压为额定电压的120％循环运行。
11.c.组别三先在得电条件下125℃运行20小时，然后在断电条件下-40℃运行20小时，后续重复得电125℃运行20小时，断电-40℃运行20小时，电压为额定电压的130％循环运行；
12.d.组别四先在得电条件下125℃运行10小时，然后在断电条件下-40℃运行10小时，后续重复得电125℃运行10小时，断电-40℃运行10小时，电压为额定电压的120％循环运行。
13.根据本发明的一些优选实施方面，所述平均运行时间按照如下步骤进行计算：
14.(a)采用平均秩法计算经验故障分布函数，计算方法如下：
[0015][0016]ak
＝a
k-1
δak[0017][0018]
r(t)＝1-f(tk)
[0019]
其中，ak为退出样品的平均秩次；k为退出样品的顺序号；δak为平均秩次增量；i为所有样品的按退出首次时间顺序排列号；tk为第k个样品的退出前运行时间；
[0020]
(b)根据经验可靠性指标，通过作图法，进行直线拟合，可得到双参数威布尔分布的二个参数αj与βj,从而得到失效率函数与可靠度函数，对可靠度函数进行积分，最终得到加速应力达到试验截止条件的运行时间为：
[0021][0022]
根据本发明的一些优选实施方面，所述双参数威布尔分布的失效率函数λ(t)与可靠度函数r(t)的标准表达式如下。
[0023][0024][0025]
根据本发明的一些优选实施方面，所述退出前运行时间为导通压降下降5％时，对应的晶闸管已经运行的时间。
[0026]
根据本发明的一些优选实施方面，所述加速因子计算模型如下式所示：
[0027][0028]
其中，ff：实际循环频率；f
t
：试验循环频率；δtf：实际温差；δt
t
：试验温差；t
maxf
：实际最高温；t
maxt
：试验最高温；ea：活化能；k：玻尔兹曼常数；m、n、p：模型常数；对电压加速因子。
[0029]
根据本发明的一些优选实施方面，模型常数m、n、p按照如下步骤进行计算：
[0030]
以威布尔分析测试样本达到50％的失效率时，四种条件下的失效率时间，并对加速老化试验重的第一组试验和第二组试验对比，可得速老化试验重的第一组试验和第二组试验对比，可得同理可求得m、p参数。
[0031]
根据本发明的一些优选实施方面，将m、n、p参数带入加速因子计算模型，同时将相关测试参数及实际参数带入模型，可计算出加速因子af。
[0032]
根据本发明的一些优选实施方面，所述晶闸管的寿命按照如下公式进行评估：
[0033]
t＝t
×
af
[0034]
其中t为评估寿命，t为加速老化的平均运行时间，af为加速因子。
[0035]
由于采用了以上的技术方案，相较于现有技术，本发明的有益之处在于：本发明的晶闸管寿命评估方法，运用温度循环与功率循环相结合的老化加速方法，更加准确的模拟了实际运行工况，且试验时间短，节约了时间成本；加速因子计算模型中考虑了高偏置电压的影响，结果更加准确。
附图说明
[0036]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0037]
图1为本发明优选实施例中晶闸管寿命评估方法的流程示意图。
具体实施方式
[0038]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0039]
如图1所示，本实施例中的晶闸管寿命评估方法，具体包括如下步骤：
[0040]
1)对晶闸管进行加速老化试验
[0041]
晶闸管老化的原因主要为焊料层疲劳，而焊料层疲劳主要与温度有关。晶闸管在使用过程中因为时常开断的原因，晶闸管结温变化较大，所以设计以温度循环为基础加速老化试验。
[0042]
通过大功率稳压电源向高低温步进式老化箱中的晶闸管供电，通过定时开关控制稳压电源开断，使得晶闸管以高温得电、低温断电的方式交替运行。
[0043]
本实施例中共准备四组晶闸管，四组晶闸管的试验温度与试验电压各不相同，需要分别进行加速老化试验。试验具体设计为：
[0044]
a.晶闸管组别一先在得电条件下125℃运行20小时，然后在断电条件下-40℃运行20小时，后续重复得电125℃、20小时，断电-40℃、20小时，电压为额定电压120％循环运行。
[0045]
b.晶闸管组别二先在得电条件下135℃运行20小时，然后在断电条件下-40℃运行20小时，后续重复得电135℃、20小时，断电-40℃、20小时，电压为额定电压120％循环运行。
[0046]
c.晶闸管组别三先在得电条件下125℃运行20小时，然后在断电条件下-40℃运行20小时，后续重复得电125℃、20小时，断电-40℃、20小时，电压为额定电压130％循环运行。
[0047]
d.晶闸管组别四先在得电条件下125℃运行10小时，然后在断电条件下-40℃运行10小时，后续重复得电125℃、10小时，断电-40℃、10小时，电压为额定电压120％循环运行。
[0048]
上述条件的设置较为贴近晶闸管实际工况，即用温度循环模拟实际功率循环，使得结果更加准确。
[0049]
在四组试验的交替循环运行中，每个循环运行周期内，获得每个组别晶闸管在同一时刻的导通压降，当导通压降下降5％时，说明晶闸管已经老化失效，记录下此时的运行
时间。
[0050]
采用基于威布尔分布以及平均秩计算法的可靠性理论进行评估，得到每组晶闸管在相应试验温度下，老化参数降级到预订指标所需的平均运行时间。具体步骤如下：
[0051]
(a)采用平均秩法计算得到经验故障分布函数，计算方法如下：
[0052][0053]ak
＝a
k-1
δakꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0054][0055]
r(t)＝1-f(tk)
ꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0056]
其中，ak为退出样品的平均秩次；k为退出样品的顺序号；δak为平均秩次增量；i为所有样品的按退出首次时间顺序排列号；tk为第k个样品的退出前运行时间(h)即前述记录下来的导通压降下降5％时的运行时间，f(tk)为累计失效概率，r(t)为可靠度函数。根据每个晶闸管样品的退出时间，利用上述公式计算出经验可靠性指标。
[0057]
(b)采用双参数威布尔分布模型进行可靠性参数估计，该分布模型的失效率函数λ(t)与可靠度函数r(t)的表达式如下。
[0058][0059][0060]
根据经验可靠性指标，通过作图法，进行直线拟合，可得到双参数威布尔分布的二个参数αj与βj，从而得到失效率函数λj(t)与可靠度函数rj(t)，并对公式(6)进行积分，最终得到加速应力达到试验截止条件的运行时间为：
[0061][0062]
四组晶闸管失效的试验条件与平均运行时间如下表所示：
[0063]
表1试验数据表
[0064]
项目第一组第二组第三组第四组试验温度t1t2t1t1试验电压v1v1v2v1循环频率f1f1f1f2平均运行时间t1t2t3t4
[0065]
2)晶闸管的加速因子计算模型
[0066]
日本电子和信息技术产业协会标准jeita et-7407b中coffin-mason加速因子计算模型给出重要老化因素为循环频率与温度的计算模型：
[0067][0068]
但是在核电厂晶闸管的实际工作中，电压也对晶闸管的寿命产生很大的影响，因此为了模拟高偏置电压的影响，需在coffin-mason加速因子计算模型上扩展对电压的加速
因子
[0069]
因此，确定晶闸管的加速因子计算模型为：
[0070][0071]
式中，af：晶闸管的加速因子；ff：实际循环频率；f
t
：试验循环频率；δtf：实际温差；δt
t
：试验温差；t
maxf
：实际最高温；t
maxt
：试验最高温；ea：活化能；k：玻尔兹曼常数；m、n、p：模型常数。
[0072]
3)计算加速因子计算模型中模型常数m、n、p
[0073]
以威布尔分析测试样本达到50％的失效率时，步骤1)中四组试验下晶闸管的失效率时间，即晶闸管的平均运行时间。通过第一组(test1)试验与第二组(test2)试验对比，可得同理可求得m、p参数。
[0074]
4)将计算得到m、n、p参数带入加速因子计算模型，同时将公式(9)中涉及的相关测试参数及实际参数带入加速因子计算模型，可计算出加速因子af。
[0075]
5)结合步骤4)的加速因子af和步骤1)的晶闸管平均运行时间t，评估其使用寿命，具体公式如下：
[0076]
t＝t
×
af
[0077]
其中t为评估寿命，t为加速老化的平均运行时间，af为加速因子。
[0078]
本发明提供一种核电厂晶闸管寿命评估方法，通过高低温步进式试验箱、稳压电源、定时开关配合控制，对多组晶闸管进行加速老化试验，通过万用表测量得到晶闸管老化敏感参数：导通压降。应用可靠性理论计算多组试验的平均运行时间，通过多组试验确定评估模型参数，运用参数已确定的评估模型与加速老化试验平均时间评估晶闸管寿命。运用温度循环与功率循环相结合的老化加速方法，更加准确的模拟了实际运行工况，且试验时间短，节约了时间成本。
[0079]
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。