光伏逆变器的核心器件及保护机制

光伏逆变器的核心器件及保护机制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。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 强 强 弱 强绝缘隔离 一般 强 强 一般适用模块电压 ≤ 1200V ≥ 1700V ≤ 6500V ≤ 1200V 延迟时间 较大 较大 小 小成本 一般 高 低 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。