逆變器的可靠性之降額設計詳解

降額是使元器件使用中所承受的應力低于其額定值，以達到延緩參數(shù)退化，增加工作壽命，提高使用可靠性的目的。用比較好理解的一個比喻，一個能背100斤走路的人，讓他背30斤趕路就比讓他背100斤走路走的時間長，距離長，路上遇到溝溝坎坎，背30斤就能跳著走，背100斤就走的磕磕絆絆，容易摔倒。

本文首先介紹了逆變器實行降額設計的原因及原則，其次闡述了設計方案的可靠性選擇，具體的跟隨小編一起來了解一下。

逆變器實行降額設計的原因

降額設計就是使元器件工作時承受的工作應力適當?shù)陀谠骷?guī)定的額定值，從而降低故障率，提高可靠性。實踐證明，對元器件的某些參數(shù)適當降額使用，就可以大幅度提高元器件的可靠性，溫度降低10℃，元器件的失效率可降低一半以上。因電子產(chǎn)品的可靠性對其電應力和溫度應力比較敏感，故而降額設計技術(shù)和熱設計技術(shù)對電子產(chǎn)品則顯得尤為重要。它是可靠性設計中必不可少的組成部分。

對于各類電子元器件，都有其最佳的降額范圍，在此范圍內(nèi)工作應力的變化對其失效率有明顯的影響，在設計上也較容易實現(xiàn)，并且不會在產(chǎn)品體積、重量和成本方面付出過大的代價。當然，過度的降額并無益處，會使元器件的特性發(fā)生或?qū)е略骷臄?shù)量不必要的增加或無法找到適合的元器件，反而對產(chǎn)品的正常工作和可靠性不利。

降額設計的三個等級

降額等級：在最佳降額范圍內(nèi)，一般又分3個降額等級：

Ⅰ級是最大的降額，適用于設備故障將會危及安全，導致任務失敗和造成嚴重經(jīng)濟損失情況時的降額設計。它是保證設備可靠性所必須的最大降額。若采用比它還大的降額，不但設備的可靠性不會再增長多少，而且設計上是難以接受的。

Ⅱ級降額是中等降額，適用于設備故障將會使工作任務降級和發(fā)生不合理的維修費用情況的設備設計。這級降額仍在降低工作應力可對設備可靠性增長有明顯作用的范圍內(nèi)，它比Ⅰ級降額易于實現(xiàn)。

Ⅲ級降額是最小的降額，適用于設備故障只對任務完成有小的影響和可經(jīng)濟的修復設備的情況。這級降額可靠性增度效果最大，設計上也不會有什么困難。

降額設計原則

各類元器件均有一個最佳的降額范圍，在此范圍內(nèi)應力變化對其故障率影響較大。過度的降額也不可取，增加元器件的數(shù)量；降額到一定程度后，可靠性的提高是很微小的；過度降額反而有害：大功率晶體管在小電流下，大大降低放大系數(shù)而且參數(shù)穩(wěn)定性降低；繼電器的線包電流不僅不能降低，反而應在額定值之上，否則影響可靠的接觸；電應力降額容易，對溫度降額，主要依靠熱設計；降額提高可靠性，但要綜合考慮可靠性、體積、重量和費用等問題。

降額分三個等級，Ι級降額最大，適用于故障危及安全、導致任務失敗和造成重大經(jīng)濟損失的情況；II級降額居中，適用于故障使任務降級和增加不合理的維修費用；III級降額最小，適用于故障對任務完成影響很小和少量的維修。降額考慮的主要因素是電應力和溫度，電應力我們考慮得多，溫度也經(jīng)常被考慮到，但隱性溫度條件常被忽視，比如環(huán)境溫度是40℃，機箱內(nèi)散熱不好溫度肯定會上升，設備周邊如果有設備，工作時也會發(fā)熱，也會導致溫度上升，這部分就是隱性溫度條件，也是不能不考慮降額的參考條件。

降額等級的分類為系統(tǒng)設計和設計管理提供了思路，在項目設計開始，對系統(tǒng)整機的降額系數(shù)、各部分組成，確定出適宜的降額等級，然后根據(jù)相關(guān)標準查找對應的降額系數(shù)，因為有些特定行業(yè)的設計要求有其特殊要求，可以根據(jù)專標要求確定，降額的參數(shù)要選取一般是電應力和熱應力，對機械件還有力矩等，應力大小直接影響失效率的高低，而且不一定就只是主要性能指標才需要降額，要結(jié)合使用條件環(huán)境進行分析，確定哪個指標是受應力條件影響大的。比如220V輸入端的對地電容，耐壓是一個降額的指標，另一個與安全有關(guān)的漏電流指標也很有必要考慮進去。

設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?？偘l(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。

光伏逆變器由電阻、電容、繼電器、接插件、半導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力情況，確定元器件的極限值，按降額設計技術(shù)，選用元器件。

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

4）設計產(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)設計的一個重要原則，也是系統(tǒng)總體對部件及線路設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。

降額應注意的問題

1）有些元器件的負荷應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，當在該減額曲線上工作的半導體結(jié)溫達到其最高結(jié)溫時，其失效率仍然較高；

3）應用減額圖，即在減額曲線的下方，通過試驗找到一條半導體結(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)動電路應滿足以下要求：

（1）為了減少器件的損耗，驅(qū)動電路應保證器件充分導通和可靠關(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。