工程師研發(fā)日記：光伏逆變器可靠性設(shè)計

進入光伏逆變器行業(yè)有3個年頭，回想過去，想從可靠性設(shè)計這個角度談一下我對光伏逆變器的理解。

設(shè)計方案的可靠性選擇

500KW逆變器，就IGBT排布，就有很多選擇，每一種都有優(yōu)缺點。

總結(jié)起來分為四種，IGBT單個模塊，并聯(lián)，逆變橋并聯(lián)，混合并聯(lián)。

(1) 采用6個單管IGBT，型號為FZ2400R12HP4，經(jīng)過計算，每個IGBT損耗是1932W，總損耗是11592W，這種方式優(yōu)點是電路簡單，結(jié)構(gòu)設(shè)計方便，體積較少，功率密度大，電氣上不存在IGBT均流和逆變橋均流等問題，驅(qū)動芯片只有3組；缺點是IGBT價格比較貴，熱源比較集中，如果散熱器的溫度不超過85°C，散熱器的熱阻為0.02K/W，要采用水冷散熱器或者加熱管的散熱器才能達到要求，成本比較高，只有一個電感和濾波電容，在低功率時，THD比較大，總體發(fā)電量比較低。

(2)分為兩個250KW的逆變矩形并聯(lián)，每一相只有一個功率器件，500K逆變器選用FF1400R12IP4，直流電經(jīng)過逆變，各自接一個LC濾波，交流接觸器，再匯流進電網(wǎng)，每一個逆變矩形可以單獨控制，當(dāng)輸入功率不足45%時，可以關(guān)閉其中一個，歐洲效率比較高，低載時THD比較小，整體發(fā)電量提高，在陰雨天太陽輻照度低時也能發(fā)電。

(3)是IGBT并聯(lián)方案，每一個橋臂用兩個IGBT并聯(lián)，逆變器只用一組LC濾波器，這種方式總成本稍低，功率密度大，缺點是存在IGBT均流，在多個IGBT并聯(lián)使用時，由于功率器件不一致，IGBT驅(qū)動電路也不一定特性能保持一致加上電路布局等的影響，會引起流過各并聯(lián)IGBT的電流不均衡，電流大的器件有可能由于過熱而損壞。在實際應(yīng)用中，要采取以下措施：要使用同一批次的器件，減少器件參數(shù)的不一致性，改善靜態(tài)均流的效果；共用一路驅(qū)動電路，提高器件參數(shù)的一致性，改善動態(tài)。
IGBT并聯(lián)和逆變橋并聯(lián)比較

(1)  效率比較：最大效率IGBT并聯(lián)方案高，歐洲效率逆變橋并聯(lián)方案高。總發(fā)電量逆變橋并聯(lián)高。

(2)  控制方法：IGBT并聯(lián)需要6組PWM，逆變橋并聯(lián)需要12組PWM。

(3)  均流：IGBT并聯(lián)要考慮器件之間均流，主要靠硬件實現(xiàn)，成本較高，逆變橋并聯(lián)需要考慮逆變橋之間均流，主要靠軟件實現(xiàn)。

(4)  可移植性：IGBT并聯(lián)250K，500K，750K不能移植，需要重新開發(fā)，逆變橋并聯(lián)可以植移，逆變橋可以共用。

(5)  結(jié)構(gòu) ：IGBT并聯(lián)需要3個散熱器，三相之間距離較長不對稱，成本稍低；模組并聯(lián)需要6個散熱器，三相之間距離較短對稱性好，成本稍高。

功率設(shè)計方案比較

光伏逆變器由電阻、電容、繼電器、接插件、半導(dǎo)體器件及集成電路等元器件組成的。系統(tǒng)的可靠性除取決于這些電子元器件的固有可靠性外，還與設(shè)計時元器件能否合理選用有關(guān)。

元器件的選用要遵循下述原則：

1）在元器件型號、規(guī)格眾多的情況下，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品要實現(xiàn)的功能要求及環(huán)境條件，選用相應(yīng)種類、型號規(guī)格及質(zhì)量等級的元器件。

2）估算元器件使用時的應(yīng)力情況，確定元器件的極限值，按降額設(shè)計技術(shù)，選用元器件。

3）根據(jù)產(chǎn)品要求的可靠性等級，選用與其適應(yīng)的、符合生產(chǎn)許可證審查要求的A，B，C 級元器件。

4）設(shè)計產(chǎn)品時，盡量選用標準元器件，并使品種簡化，這是大型電子系統(tǒng)設(shè)計的一個重要原則，也是系統(tǒng)總體對部件及線路設(shè)計者提出的約束條件。

5）對非標準的元器件要進行嚴格的驗證，使用時要經(jīng)過批準手續(xù)。

6）制定元器件選用手冊，規(guī)范元器件的選用和采購。
降額設(shè)計的依據(jù)

所謂降額設(shè)計，就是使元器件運用于比額定值低的應(yīng)力狀態(tài)的一種設(shè)計技術(shù)。為了提高元器件的使用可靠性以及延長產(chǎn)品的壽命，必須有意識地降低施加在器件上的工作應(yīng)力（如：電、熱、機械應(yīng)力等），降額的條件及降額的量值必須綜合確定，以保證電路既能可靠性地工作，又能保持其所需的性能。降額的措施也隨元器件類型的不同而有不同的規(guī)定，如電阻降額是降低其使用功率與額定功率之比；電容降額是使工作電壓低于額定電壓；半導(dǎo)體分立器件降額是使功耗低于額定值；接觸元件則必須降低張力、扭力、溫度和降低其它與特殊應(yīng)用有關(guān)的限制。

降額的等級分為三個等級，分別稱I 級降額、II 級降額和III 級降額。

I 級降額是最大降額，超過它的更大降額，元器件的可靠性增長有限，而且使設(shè)計難以實現(xiàn)。I 級降額適用于下述情況：設(shè)備的失效將嚴重危害人員的生命安全，可能造成重大的經(jīng)濟損失，導(dǎo)致工作任務(wù)的失敗，失敗后無法維修或維修在經(jīng)濟上不合算等。

II 級降額指元器件在該范圍內(nèi)降額時，設(shè)備的可靠性增長是急劇的，且設(shè)備設(shè)計較I 級降額易于實現(xiàn)。II 級降額適用于設(shè)備的失效會使工作水平降級或需支付不合理的維修費用等場合。

III 級降額指元器件在該范圍內(nèi)降額時設(shè)備的可靠性增長效益最大，且在設(shè)備設(shè)計上實現(xiàn)困難最小，它適用于設(shè)備的失效對工作任務(wù)的完成影響小，不危及工作任務(wù)的完成或可迅速修復(fù)的情況。

降額應(yīng)注意的問題

1）有些元器件的負荷應(yīng)力是不能降額或者對最大降額有限制的，如電子管的燈絲電壓、繼電器線包的吸合電流是不能降額的，否則電子管的壽命要降低；

2）有些元器件降額到一定程度時卻得不到預(yù)期的降額效果。如薄膜電阻器的功率減額到10%以下時，一般二極管的反向電壓減額到最大反向電壓的60%以下時，失效率將不再下降；

3）有些類型電容器的降額可能發(fā)生低電平失效，即當(dāng)電容器兩端電壓過低時呈現(xiàn)開路失效，也就是說，降額不但不能使失效率下降，反而會使失效率增高。
降額系數(shù)的選擇大部分是依靠試驗數(shù)據(jù)和根據(jù)元器件使用的環(huán)境因子來確定。確定降額系數(shù)的方法如下：

1）數(shù)學(xué)模型及基本失效率與溫度、降額系數(shù)之間的關(guān)系曲線；

2）減額曲線給出了為保證元器件可靠工作所選擇的降額系數(shù)與溫度之間的函數(shù)關(guān)系，當(dāng)在該減額曲線上工作的半導(dǎo)體結(jié)溫達到其最高結(jié)溫時，其失效率仍然較高；

3）應(yīng)用減額圖，即在減額曲線的下方，通過試驗找到一條半導(dǎo)體結(jié)溫較低的減額曲線；

4）各種元器件的減額因子參見國家標準。

功率開關(guān)管驅(qū)動電路設(shè)計

IGBT驅(qū)動電路的作用是將DSP發(fā)出的控制信號加以隔離并放大， 以驅(qū)動IGBT等功率器件，并檢測電路的電壓，防止因電路過壓， 短路而造成IGBT損壞，因此驅(qū)動電路應(yīng)滿足以下要求：

（1）為了減少器件的損耗，驅(qū)動電路應(yīng)保證器件充分導(dǎo)通和可靠關(guān)斷。 驅(qū)動電路與IGBT的連線要盡量短。

（2）保障驅(qū)動電路和主回路的電氣隔離，由于主回路是高電壓， 驅(qū)動控制電路是低電壓，所以要求驅(qū)動信號與主回路無電氣耦合。

（3）具有抗干擾能力，防止開關(guān)器件在各種外界干擾下的出現(xiàn)誤動作， 影響逆變器總的發(fā)電量，保證器件的高可靠的工作。

（4）具有可靠的保護能力，當(dāng)主回路或驅(qū)動控制電路出現(xiàn)故障時 (如主電路過電流、過電壓和驅(qū)動電路欠電壓）， 驅(qū)動電路應(yīng)迅速封鎖IGBT的PWM信號，關(guān)斷器件。 主要的保護功能有：過流檢測及保護，欠壓檢測及保護， 溫度檢測及保護。

IGBT驅(qū)動電路按功能可分三種類型：單功能型、多功能型、全功能型。

（1）單功能型驅(qū)動電路是由功率緩沖器和光耦構(gòu)成，如HCLP-3150，

（2）多功能型的大功率IGBT驅(qū)動保護電路，如HCPL-316J、 M57962，   VLA500-01等。

直流母線電容設(shè)計

太陽能組件輸出的連續(xù)的直流電流，逆變橋采用高頻PWM控制，輸出的是高頻脈沖電流，因此在逆變橋和太陽能組件之間，需要一個直流支撐電容，主要有以下幾個作用：

（1）和太陽能組件一起提供逆變器輸入電流；

（2）降低諧波電流進入電網(wǎng)；

（3）當(dāng)機器在緊急情況下急停時，能吸收功率開關(guān)器件關(guān)斷下能量；

（4）在特殊工況下，能提供瞬時峰值功率；

（5）當(dāng)逆變器受到電網(wǎng)瞬時峰值沖擊，能保護逆變器。

母線電容設(shè)計選型，要考慮的以下主要因素：電容器的額定電壓、電容器容量、電容器的紋波電流、電容器的安裝散熱方式，電容器的溫升和壽命等等

1）從紋波電流考慮，母線電容中的紋波電流一般取流過IGBT電流的0.65倍。所有電容的紋波電流之各要大于此值。

2）從能量的轉(zhuǎn)換考慮，一般要使電容組能提供0.5個周期的能量。

3) 電容的電壓要大于電流最高電壓

選擇IGBT時需要考慮額定電壓和額定電流是否在允許的范圍內(nèi)：

耐電壓要求：IGBT在開通和關(guān)斷時，會在產(chǎn)生尖峰電壓，這個電壓要低于器件的耐壓值，否則器件將因電壓過高擊穿而損壞；本逆變器輸入電壓范圍是450VDC到820VDC，關(guān)斷時的峰值電壓為： UCESP (820×1.1+50)×α=1047V   

式中，IGBT的CE兩端承受的最高電壓是820V，1.1為IGBT電壓保護系數(shù)，α為安全系數(shù)，一般取1.1，50為L×(di/dt)引起的尖峰電壓。令UCES≥UCESP，并向上靠攏IGBT的實際電壓等級，取UCES=1200V。

安全電流：IGBT工作過程中，峰值電流必須小于IGBT的額定電流；