逆變器的可靠性之降額設(shè)計(jì)詳解

降額是使元器件使用中所承受的應(yīng)力低于其額定值，以達(dá)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(gè)比喻，一個(gè)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(shí)間長(zhǎng)，距離長(zhǎng)，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(shí)行降額設(shè)計(jì)的原因及原則，其次闡述了設(shè)計(jì)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(shí)行降額設(shè)計(jì)的原因

降額設(shè)計(jì)就是使元器件工作時(shí)承受的工作應(yīng)力適當(dāng)?shù)陀谠骷?guī)定的額定值，從而降低故障率，提高可靠性。實(shí)踐證明，對(duì)元器件的某些參數(shù)適當(dāng)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(duì)其電應(yīng)力和溫度應(yīng)力比較敏感，故而降額設(shè)計(jì)技術(shù)和熱設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)電子產(chǎn)品則顯得尤為重要。它是可靠性設(shè)計(jì)中必不可少的組成部分。

對(duì)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(yīng)力的變化對(duì)其失效率有明顯的影響，在設(shè)計(jì)上也較容易實(shí)現(xiàn)，并且不會(huì)在產(chǎn)品體積、重量和成本方面付出過大的代價(jià)。當(dāng)然，過度的降額并無益處，會(huì)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(duì)產(chǎn)品的正常工作和可靠性不利。

降額設(shè)計(jì)的三個(gè)等級(jí)

降額等級(jí)：在最佳降額范圍內(nèi)，一般又分3個(gè)降額等級(jí)：

Ⅰ級(jí)是最大的降額，適用于設(shè)備故障將會(huì)危及安全，導(dǎo)致任務(wù)失敗和造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失情況時(shí)的降額設(shè)計(jì)。它是保證設(shè)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(shè)備的可靠性不會(huì)再增長(zhǎng)多少，而且設(shè)計(jì)上是難以接受的。

Ⅱ級(jí)降額是中等降額，適用于設(shè)備故障將會(huì)使工作任務(wù)降級(jí)和發(fā)生不合理的維修費(fèi)用情況的設(shè)備設(shè)計(jì)。這級(jí)降額仍在降低工作應(yīng)力可對(duì)設(shè)備可靠性增長(zhǎng)有明顯作用的范圍內(nèi)，它比Ⅰ級(jí)降額易于實(shí)現(xiàn)。

Ⅲ級(jí)降額是最小的降額，適用于設(shè)備故障只對(duì)任務(wù)完成有小的影響和可經(jīng)濟(jì)的修復(fù)設(shè)備的情況。這級(jí)降額可靠性增度效果最大，設(shè)計(jì)上也不會(huì)有什么困難。

降額設(shè)計(jì)原則

各類元器件均有一個(gè)最佳的降額范圍，在此范圍內(nèi)應(yīng)力變化對(duì)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(yīng)在額定值之上，否則影響可靠的接觸；電應(yīng)力降額容易，對(duì)溫度降額，主要依靠熱設(shè)計(jì)；降額提高可靠性，但要綜合考慮可靠性、體積、重量和費(fèi)用等問題。

降額分三個(gè)等級(jí)，Ι級(jí)降額最大，適用于故障危及安全、導(dǎo)致任務(wù)失敗和造成重大經(jīng)濟(jì)損失的情況；II級(jí)降額居中，適用于故障使任務(wù)降級(jí)和增加不合理的維修費(fèi)用；III級(jí)降額最小，適用于故障對(duì)任務(wù)完成影響很小和少量的維修。降額考慮的主要因素是電應(yīng)力和溫度，電應(yīng)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(jī)箱內(nèi)散熱不好溫度肯定會(huì)上升，設(shè)備周邊如果有設(shè)備，工作時(shí)也會(huì)發(fā)熱，也會(huì)導(dǎo)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(jí)的分類為系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)管理提供了思路，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)開始，對(duì)系統(tǒng)整機(jī)的降額系數(shù)、各部分組成，確定出適宜的降額等級(jí)，然后根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)查找對(duì)應(yīng)的降額系數(shù)，因?yàn)橛行┨囟ㄐ袠I(yè)的設(shè)計(jì)要求有其特殊要求，可以根據(jù)專標(biāo)要求確定，降額的參數(shù)要選取一般是電應(yīng)力和熱應(yīng)力，對(duì)機(jī)械件還有力矩等，應(yīng)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(biāo)才需要降額，要結(jié)合使用條件環(huán)境進(jìn)行分析，確定哪個(gè)指標(biāo)是受應(yīng)力條件影響大的。比如220V輸入端的對(duì)地電容，耐壓是一個(gè)降額的指標(biāo)，另一個(gè)與安全有關(guān)的漏電流指標(biāo)也很有必要考慮進(jìn)去。

設(shè)計(jì)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(diǎn)。

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

（1） 采用6個(gè)單管IGBT，型號(hào)為FZ2400R12HP4，經(jīng)過計(jì)算，每個(gè)IGBT損耗是1932W，總損耗是11592W，這種方式優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dòng)芯片只有3組；缺點(diǎn)是IGBT價(jià)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(dá)到要求，成本比較高，只有一個(gè)電感和濾波電容，在低功率時(shí)，THD比較大，總體發(fā)電量比較低。

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

（3）是IGBT并聯(lián)方案，每一個(gè)橋臂用兩個(gè)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(diǎn)是存在IGBT均流，在多個(gè)IGBT并聯(lián)使用時(shí)，由于功率器件不一致，IGBT驅(qū)動(dòng)電路也不一定特性能保持一致加上電路布局等的影響，會(huì)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(shí)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(dòng)電路，提高器件參數(shù)的一致性，改善動(dòng)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(shí)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(shí)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(gè)散熱器，三相之間距離較長(zhǎng)不對(duì)稱，成本稍低；模組并聯(lián)需要6個(gè)散熱器，三相之間距離較短對(duì)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(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(jì)時(shí)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(hào)、規(guī)格眾多的情況下，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品要實(shí)現(xiàn)的功能要求及環(huán)境條件，選用相應(yīng)種類、型號(hào)規(guī)格及質(zhì)量等級(jí)的元器件。

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

3）根據(jù)產(chǎn)品要求的可靠性等級(jí)，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(jí)元器件。

4）設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，盡量選用標(biāo)準(zhǔn)元器件，并使品種簡(jiǎn)化，這是大型電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要原則，也是系統(tǒng)總體對(duì)部件及線路設(shè)計(jì)者提出的約束條件。

5）對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)的元器件要進(jìn)行嚴(yán)格的驗(yàn)證，使用時(shí)要經(jīng)過批準(zhǔn)手續(xù)。

6）制定元器件選用手冊(cè)，規(guī)范元器件的選用和采購(gòu)。

降額應(yīng)注意的問題

1）有些元器件的負(fù)荷應(yīng)力是不能降額或者對(duì)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(shí)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(shí)，一般二極管的反向電壓減額到最大反向電壓的60%以下時(shí)，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(shí)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(huì)使失效率增高。

降額系數(shù)的選擇大部分是依靠試驗(yàn)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(dá)到其最高結(jié)溫時(shí)，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(yàn)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

功率開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

IGBT驅(qū)動(dòng)電路的作用是將DSP發(fā)出的控制信號(hào)加以隔離并放大， 以驅(qū)動(dòng)IGBT等功率器件，并檢測(cè)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(dòng)電路應(yīng)滿足以下要求：

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

（2）保障驅(qū)動(dòng)電路和主回路的電氣隔離，由于主回路是高電壓， 驅(qū)動(dòng)控制電路是低電壓，所以要求驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(dòng)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(hù)能力，當(dāng)主回路或驅(qū)動(dòng)控制電路出現(xiàn)故障時(shí) （如主電路過電流、過電壓和驅(qū)動(dòng)電路欠電壓）， 驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)迅速封鎖IGBT的PWM信號(hào)，關(guān)斷器件。 主要的保護(hù)功能有：過流檢測(cè)及保護(hù)，欠壓檢測(cè)及保護(hù)， 溫度檢測(cè)及保護(hù)。

IGBT驅(qū)動(dòng)電路按功能可分三種類型：?jiǎn)喂δ苄?、多功能型、全功能型?/p>

（1）單功能型驅(qū)動(dòng)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(dòng)保護(hù)電路，如HCPL-316J、 M57962， VLA500-01等。

直流母線電容設(shè)計(jì)

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(gè)直流支撐電容，主要有以下幾個(gè)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(jìn)入電網(wǎng)；

（3）當(dāng)機(jī)器在緊急情況下急停時(shí)，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(shí)峰值功率；

（5）當(dāng)逆變器受到電網(wǎng)瞬時(shí)峰值沖擊，能保護(hù)逆變器。

母線電容設(shè)計(jì)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(gè)周期的能量。

3） 電容的電壓要大于電流最高電壓

選擇IGBT時(shí)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(shí)，會(huì)在產(chǎn)生尖峰電壓，這個(gè)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(shí)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(hù)系數(shù)，α為安全系數(shù)，一般取1.1，50為L(zhǎng)×（di/dt）引起的尖峰電壓。令UCES≥UCESP，并向上靠攏IGBT的實(shí)際電壓等級(jí)，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。