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光伏逆变器的核心器件及保护机制
2018-05-10
  光伏逆变器是光伏系统非常重要的一个设备,主要作用是把光伏组件发出来的直流电变成交流电,除此之外,逆变器还承担检测组件、电网、电缆运行状态,和外界通信交流,系统安全管家等重要功能。在光伏行业标准NB32004-2013中,逆变器有100多个严格的技术参数,每一个参数合格才能拿到证书。国家质检总局每一年也会抽查,对光伏并网逆变器产品的保护连接、接触电流、固体绝缘的工频耐受电压、额定输入输出、转换效率、谐波和波形畸变、功率因数、直流分量、交流输出侧过/欠压保护等9个项目进行了检验。一款全新的逆变器,从开发到量产,要两年多时间才能出来,除了过欠电压保护等功能外,逆变器还有很多鲜为人知的黑科技,如漏电流控制、散热设计、电磁兼容、谐波抑制,关键器件保护,效率控制等等,需要投入大量的人力和物力去研发和测试。

  本文主要介绍逆变器中的IGBT保护技术

  IGBT是一种功率器件,在逆变器中承担着功率变换和能量传输的作用,是逆变器的心脏。同时,IGBT又是逆变器中最不可靠的元器件之一,对器件温度、电流、电流非常敏感,稍有超标,一言不合便炸机,而且不可修复,IGBT损坏就意味着逆变器需要更换或者大修。因此IGBT是逆变器重点保护对象。



  上面是IGBT失效的三个模式,最常见的是电气故障,因为IGBT承担电流电压转换,而且频率很高,IGBT主电路过高、驱动电压过高、外界产生的尖峰电压都有可能造成过压损坏;逆变器输出过载、短路有可能导致过流。其次是温度故障,IGBT在运行过程中会产生大量的热量,这些热量如果不能及时散发出去,就有可能因为过热损坏;机械故障是有可能在生产加工和运输安装过程中,这种情况比较少见。

  1、IGBT驱动保护

  IGBT本身是一个电流开关的器件,什么时候开,什么时候关,开关多长时间是由逆变器的CPU来控制的,但是DSP输出是一个PWM信号,速度很快,但功率不够,驱动器最主要的作用是放大PWM信号。



  IGBT控制很大的高频大电流,会产生电磁干扰信号,驱动器又和IGBT隔得很近,因此驱动电路要有隔离功能,目前驱动隔离方案有光耦、光纤、脉冲变压器、磁耦等几种。各种方式的优缺点如下:


光耦

光纤

脉冲变压器

磁耦

信息带宽

全信息带宽

全信息带宽

边沿信息

全信息带宽

抗干扰能力

绝缘隔离

一般

一般

适用模块电压

1200V

1700V

6500V

1200V

延迟时间

较大

较大

成本

一般

一般


  2、IGBT过电流/短路保护

  IGBT在设计时,电流一般都会留有10%以上的裕量。但是,逆变器在工作时,由于组件、负载短路,负载侧故障导致过流,负载侧有特别大的感性负载,启停时有很大的谐波电流,这时候逆变器输出电流会急剧上升,导致IGBT的工作电流也会对应急剧上升。IGBT短路分为两种情况:变流器的桥臂内发生直通,称为一类短路,变流器短路点发生在负载侧,等效短路阻抗较大,称为二类短路。二类短路一般也可认为是逆变器发生较严重的过流。在短路发生时刻,如果不采取相关措施,就会导致IGBT快速进入退饱和,瞬态功耗超过限值而损坏,因为IGBT承受过电流的时间仅为几微秒。因此,当短路发生时,要尽快关断IGBT,而且关断的速度要平缓,保证电流变化速率在一定范围,避免关断过快而引起电压应力超过限值而损坏IGBT,有源钳位的方案中增加快速响应措施,使得IGBT驱动能够尽快动作。

  3、IGBT过温保护

  当逆变器环境温度过高、逆变器散热不良,持续过热均会导使IGBT损坏。如果器件持续短路,大电流产生的功耗将引起温升,若芯片温度超过硅本征温度(约250℃),器件将失去阻断能力,栅极控制就无法保护,从而导致IGBT失效。在设计时主要从两个方面去考虑:第一,加强完善IGBT管的散热条件,包括风道设计、散热器的设计制作,加强制冷等;第二,设计过热检测保护电路,用IGBT模块上内置的热敏电阻来测量IGBT散热温度,是很准确的,当温度超过设定值时,关断IGBT使其停止工作。

  4、IGBT机械故障保护

  为了散热方便,IGBT都是通过螺丝连接,安装在散热器上,这个螺丝的连接强度非常有讲究,要恰到好处,如果力量太大,会损坏IGBT。如果力量太轻,在运输和安装过程中,由于振动会造成接触不良,热阻增加,器件过温损坏。在安装IGBT时,都会使用专门的螺丝批,根据IGBT型号,采用相应的扭力,保证IGBT既连接牢固,又不会损坏。

  结论

  IGBT是逆变器中最娇气,最敏感,最容易损坏的器件;同时也是逆变器中最昂贵,最关键的器件,逆变器必须采取很多措施去保护她。

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