工程师研发日记：光伏逆变器可靠性设计

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

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