工程师研发日记：光伏逆变器可靠性设计

进入光伏逆变器行业有3个年头，回想过去，想从可靠性设计这个角度谈一下我对光伏逆变器的理解。

设计方案的可靠性选择

500KW逆变器，就IGBT排布，就有很多选择，每一种都有优缺点。

 

 

 

 

 

总结起来分为四种，IGBT单个模块，并联，逆变桥并联，混合并联。

(1) 采用6个单管IGBT，型号为FZ2400R12HP4，经过计算，每个IGBT损耗是1932W，总损耗是11592W，这种方式优点是电路简单，结构设计方便，体积较少，功率密度大，电气上不存在IGBT均流和逆变桥均流等问题，驱动芯片只有3组；缺点是IGBT价格比较贵，热源比较集中，如果散热器的温度不超过85°C，散热器的热阻为0.02K/W，要采用水冷散热器或者加热管的散热器才能达到要求，成本比较高，只有一个电感和滤波电容，在低功率时，THD比较大，总体发电量比较低。

(2)分为两个250KW的逆变矩形并联，每一相只有一个功率器件，500K逆变器选用FF1400R12IP4，直流电经过逆变，各自接一个LC滤波，交流接触器，再汇流进电网，每一个逆变矩形可以单独控制，当输入功率不足45%时，可以关闭其中一个，欧洲效率比较高，低载时THD比较小，整体发电量提高，在阴雨天太阳辐照度低时也能发电。

(3)是IGBT并联方案，每一个桥臂用两个IGBT并联，逆变器只用一组LC滤波器，这种方式总成本稍低，功率密度大，缺点是存在IGBT均流，在多个IGBT并联使用时，由于功率器件不一致，IGBT驱动电路也不一定特性能保持一致加上电路布局等的影响，会引起流过各并联IGBT的电流不均衡，电流大的器件有可能由于过热而损坏。在实际应用中，要采取以下措施：要使用同一批次的器件，减少器件参数的不一致性，改善静态均流的效果；共用一路驱动电路，提高器件参数的一致性，改善动态。

IGBT并联和逆变桥并联比较

(1)  效率比较：最大效率IGBT并联方案高，欧洲效率逆变桥并联方案高。总发电量逆变桥并联高。

(2)  控制方法：IGBT并联需要6组PWM，逆变桥并联需要12组PWM。

(3)  均流：IGBT并联要考虑器件之间均流，主要靠硬件实现，成本较高，逆变桥并联需要考虑逆变桥之间均流，主要靠软件实现。

(4)  可移植性：IGBT并联250K，500K，750K不能移植，需要重新开发，逆变桥并联可以植移，逆变桥可以共用。

(5)  结构 ：IGBT并联需要3个散热器，三相之间距离较长不对称，成本稍低；模组并联需要6个散热器，三相之间距离较短对称性好，成本稍高。

功率设计方案比较

价格

散热

 均流

发电量

欧洲效率

体积

可靠性

寿命

无并联

高

水冷

无

中

中

小

高

中

IGBT并联

中

风冷

有

中

中

中

中

中

逆变桥并联    

高

风冷

无

高

高

大

高

高

混合并联

低

风冷

有

高

高

大

低

高

 

光伏逆变器由电阻、电容、继电器、接插件、半导体器件及集成电路等元器件组成的。系统的可靠性除取决于这些电子元器件的固有可靠性外，还与设计时元器件能否合理选用有关。

元器件的选用要遵循下述原则：

1）在元器件型号、规格众多的情况下，应根据产品要实现的功能要求及环境条件，选用相应种类、型号规格及质量等级的元器件。

2）估算元器件使用时的应力情况，确定元器件的极限值，按降额设计技术，选用元器件。

3）根据产品要求的可靠性等级，选用与其适应的、符合生产许可证审查要求的A，B，C 级元器件。

4）设计产品时，尽量选用标准元器件，并使品种简化，这是大型电子系统设计的一个重要原则，也是系统总体对部件及线路设计者提出的约束条件。

5）对非标准的元器件要进行严格的验证，使用时要经过批准手续。

6）制定元器件选用手册，规范元器件的选用和采购。

降额设计的依据

所谓降额设计，就是使元器件运用于比额定值低的应力状态的一种设计技术。为了提高元器件的使用可靠性以及延长产品的寿命，必须有意识地降低施加在器件上的工作应力（如：电、热、机械应力等），降额的条件及降额的量值必须综合确定，以保证电路既能可靠性地工作，又能保持其所需的性能。降额的措施也随元器件类型的不同而有不同的规定，如电阻降额是降低其使用功率与额定功率之比；电容降额是使工作电压低于额定电压；半导体分立器件降额是使功耗低于额定值；接触元件则必须降低张力、扭力、温度和降低其它与特殊应用有关的限制。

降额的等级分为三个等级，分别称I 级降额、II 级降额和III 级降额。

I 级降额是最大降额，超过它的更大降额，元器件的可靠性增长有限，而且使设计难以实现。I 级降额适用于下述情况：设备的失效将严重危害人员的生命安全，可能造成重大的经济损失，导致工作任务的失败，失败后无法维修或维修在经济上不合算等。

II 级降额指元器件在该范围内降额时，设备的可靠性增长是急剧的，且设备设计较I 级降额易于实现。II 级降额适用于设备的失效会使工作水平降级或需支付不合理的维修费用等场合。

III 级降额指元器件在该范围内降额时设备的可靠性增长效益最大，且在设备设计上实现困难最小，它适用于设备的失效对工作任务的完成影响小，不危及工作任务的完成或可迅速修复的情况。

降额应注意的问题

1）有些元器件的负荷应力是不能降额或者对最大降额有限制的，如电子管的灯丝电压、继电器线包的吸合电流是不能降额的，否则电子管的寿命要降低；

2）有些元器件降额到一定程度时却得不到预期的降额效果。如薄膜电阻器的功率减额到10%以下时，一般二极管的反向电压减额到最大反向电压的60%以下时，失效率将不再下降；

3）有些类型电容器的降额可能发生低电平失效，即当电容器两端电压过低时呈现开路失效，也就是说，降额不但不能使失效率下降，反而会使失效率增高。

降额系数的选择大部分是依靠试验数据和根据元器件使用的环境因子来确定。确定降额系数的方法如下：

1）数学模型及基本失效率与温度、降额系数之间的关系曲线；

2）减额曲线给出了为保证元器件可靠工作所选择的降额系数与温度之间的函数关系，当在该减额曲线上工作的半导体结温达到其最高结温时，其失效率仍然较高；

3）应用减额图，即在减额曲线的下方，通过试验找到一条半导体结温较低的减额曲线；

4）各种元器件的减额因子参见国家标准。

 

功率开关管驱动电路设计

IGBT驱动电路的作用是将DSP发出的控制信号加以隔离并放大， 以驱动IGBT等功率器件，并检测电路的电压，防止因电路过压， 短路而造成IGBT损坏，因此驱动电路应满足以下要求：

（1）为了减少器件的损耗，驱动电路应保证器件充分导通和可靠关断。 驱动电路与IGBT的连线要尽量短。

（2）保障驱动电路和主回路的电气隔离，由于主回路是高电压， 驱动控制电路是低电压，所以要求驱动信号与主回路无电气耦合。

（3）具有抗干扰能力，防止开关器件在各种外界干扰下的出现误动作， 影响逆变器总的发电量，保证器件的高可靠的工作。

（4）具有可靠的保护能力，当主回路或驱动控制电路出现故障时 (如主电路过电流、过电压和驱动电路欠电压）， 驱动电路应迅速封锁IGBT的PWM信号，关断器件。 主要的保护功能有：过流检测及保护，欠压检测及保护， 温度检测及保护。

IGBT驱动电路按功能可分三种类型：单功能型、多功能型、全功能型。

（1）单功能型驱动电路是由功率缓冲器和光耦构成，如HCLP-3150，

（2）多功能型的大功率IGBT驱动保护电路，如HCPL-316J、 M57962，   VLA500-01等。

直流母线电容设计

太阳能组件输出的连续的直流电流，逆变桥采用高频PWM控制，输出的是高频脉冲电流，因此在逆变桥和太阳能组件之间，需要一个直流支撑电容，主要有以下几个作用：

（1）和太阳能组件一起提供逆变器输入电流；

（2）降低谐波电流进入电网；

（3）当机器在紧急情况下急停时，能吸收功率开关器件关断下能量；

（4）在特殊工况下，能提供瞬时峰值功率；

（5）当逆变器受到电网瞬时峰值冲击，能保护逆变器。

母线电容设计选型，要考虑的以下主要因素：电容器的额定电压、电容器容量、电容器的纹波电流、电容器的安装散热方式，电容器的温升和寿命等等

1）从纹波电流考虑，母线电容中的纹波电流一般取流过IGBT电流的0.65倍。所有电容的纹波电流之各要大于此值。

2）从能量的转换考虑，一般要使电容组能提供0.5个周期的能量。

3) 电容的电压要大于电流最高电压

选择IGBT时需要考虑额定电压和额定电流是否在允许的范围内：

耐电压要求：IGBT在开通和关断时，会在产生尖峰电压，这个电压要低于器件的耐压值，否则器件将因电压过高击穿而损坏；本逆变器输入电压范围是450VDC到820VDC，关断时的峰值电压为： UCESP (820×1.1+50)×α=1047V    

式中，IGBT的CE两端承受的最高电压是820V，1.1为IGBT电压保护系数，α为安全系数，一般取1.1，50为L×(di/dt)引起的尖峰电压。令UCES≥UCESP，并向上靠拢IGBT的实际电压等级，取UCES=1200V。

安全电流：IGBT工作过程中，峰值电流必须小于IGBT的额定电流；