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【干货】逆变器的可靠性设计

Grandsolar 2018-02-28

无论微型逆变器,组串式逆变器,还是大型光伏并网逆变器,都由半导体模块组成,包括开关元件和电容元件,这些元件的可靠性决定了光伏逆变器的可靠性。在并网光伏发电系统中,逆变器安装环境多样,可能还要在高温,高温、盐雾环境中处理很高功率的电流,这些因素都增加了逆变器的失效率和系统的可靠度。


【干货】逆变器的可靠性设计

拓扑结构可靠性


要适应光伏逆变器的现场环境条件,必须优化设计逆变器的拓扑结构,设计合理的电路拓扑结构是影响逆变器可靠度的重要因素。


为了保证桥臂功率开关管不直通,同一桥臂的功率开关管必须设置死区时间,从而降低电网电流的波形质量。传统桥式并网逆变器的桥壁直通问题影响了并网逆变器的可靠性,基于滞环电流控制的双降压半桥逆变器,不存在传统桥式并网逆变器桥臂功率开关管的直通问题,提高了系统可靠性。单相Z源逆变器。该逆变器可实现升降压变换,且不存在桥臂功率开关管直通问题,但需要2个电感和2个电容来提升输入电压。


漏电流也是影响逆变器可靠性的主要因素之一,优化电路拓扑结构是解决漏电流问题的主要方法。双Buck改进型中的三电平双Buck全桥逆变电路,将漏电流抑制至几乎可以忽略的程度,使用的有源器件数量少,通态电流流经器件少,高频工作器件少;无需均压控制,同时通过理论计算分析比较,表明了双Buck改进型中的三电平双Buck全桥逆变电路具有较高的可靠性。


元器件数量影响电路可靠性


器件数量少,意味着更简洁的结构和控制,出错几率小。特别是,相对于有源器件,无源器件具有更高的可靠性。功率模块集成多个元器件,将多个分立器件集成到一个模块中,结构紧凑,减少了器件之间连线的寄生阻抗。功率模块驱动回路与主功率回路从不同的管脚分别引出,减少了IGBT主功率回路对驱动回路的电磁干扰。模块配置了NTC电阻,可以精准地检测模块内部温度。


元器件可靠性


功率开关是最容易失效的位置,要评估逆变器的可靠度必须对组成逆变器的功率开关的可靠性逆变器系统平均无故障工作时间主要受到开关管可靠性的影响,功率开关管的可靠性是整个系统可靠性能的关键,增加逆变器开关元件的可靠性能大大增加逆变器整体的可靠性,因此,选用高质量的功率开关管,减小开关管电应力等方法可以有效提高逆变器的可靠性。


逆变器作为电子产品,电容是最基本的元器件,直流母线支撑电容主要作用是储能和滤波,要承受很高的脉冲电流和脉冲电压,是逆变器寿命最短的器件之一,直流母线电容现在有铝电解电容和薄膜电容两种,各有优势,电解电容的主要优势是单体容量大,价格低,薄膜电容优势是单体电压高,还有以下优势:电解电容的寿命一般是2000~3000小时,长寿命的有5000~6000小时,并且容易发生漏液;薄膜电容寿命一般是100000小时以上。而且薄膜电容还具有自愈效应。电解电容耐压值一般为500-550V,薄膜电容耐压值一般为1000-1300V,薄膜电容能承受2倍于额定电压的浪涌电压的冲击,能长期承受反向脉冲电压。


冗余设计


在系统或设备完成任务起关键作用的地方,增加一套以上完成相同功能的功能通道、工作元件或部件,以保证当该部分出现故障时,系统或设备仍能正常工作,以减少系统或者设备的故障概率,提高系统可靠性。采取冗余措施后,在不改变内部设计的情况下,这套系统的可靠性立即可以大幅度提高。假如单独系统的故障率为50%,而采取冗余系统后马上可以将故障率降低到25%。


三防设计


三防设计是指防潮湿、防盐雾、防霉菌设计。逆变器工作环境多样,而潮湿、盐雾和霉菌会降低材料的绝缘强度,引起漏电、短路,从而导致电子故障和事故。因此,必须采取防止或减少环境条件对逆变器可靠性的不利影响,以保证逆变器工作中的各项性能,增加产品在恶劣环境中运行的可靠性。


户外型太阳能逆变器就充分考虑到三防设计的要求。对其进行三防处理的具体内容包括:(1)对于箱体表面采用酸洗磷化处理后进行静电喷涂一层致密的塑粉层,经高温固化后可有效地对箱体表面进行防护;(2)盖板和箱体之间采用自夹紧橡胶密封圈;(3)内部的控制线路板喷三防漆;(4)进、出线采用防水端子密封等。

【干货】逆变器的可靠性设计


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