光伏逆變器的核心器件及保護(hù)機(jī)制

光伏逆變器是光伏系統(tǒng)非常重要的一個(gè)設(shè)備，主要作用是把光伏組件發(fā)出來的直流電變成交流電，除此之外，逆變器還承擔(dān)檢測(cè)組件、電網(wǎng)、電纜運(yùn)行狀態(tài)，和外界通信交流，系統(tǒng)安全管家等重要功能。在光伏行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB32004-2013中，逆變器有100多個(gè)嚴(yán)格的技術(shù)參數(shù)，每一個(gè)參數(shù)合格才能拿到證書。國(guó)家質(zhì)檢總局每一年也會(huì)抽查，對(duì)光伏并網(wǎng)逆變器產(chǎn)品的保護(hù)連接、接觸電流、固體絕緣的工頻耐受電壓、額定輸入輸出、轉(zhuǎn)換效率、諧波和波形畸變、功率因數(shù)、直流分量、交流輸出側(cè)過/欠壓保護(hù)等9個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行了檢驗(yàn)。一款全新的逆變器，從開發(fā)到量產(chǎn)，要兩年多時(shí)間才能出來，除了過欠電壓保護(hù)等功能外，逆變器還有很多鮮為人知的黑科技，如漏電流控制、散熱設(shè)計(jì)、電磁兼容、諧波抑制，關(guān)鍵器件保護(hù)，效率控制等等，需要投入大量的人力和物力去研發(fā)和測(cè)試。

本文主要介紹逆變器中的IGBT保護(hù)技術(shù)

IGBT是一種功率器件，在逆變器中承擔(dān)著功率變換和能量傳輸?shù)淖饔?，是逆變器的心臟。同時(shí)，IGBT又是逆變器中最不可靠的元器件之一，對(duì)器件溫度、電流、電流非常敏感，稍有超標(biāo)，一言不合便炸機(jī)，而且不可修復(fù)，IGBT損壞就意味著逆變器需要更換或者大修。因此IGBT是逆變器重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象。

1、IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)

IGBT本身是一個(gè)電流開關(guān)的器件，什么時(shí)候開，什么時(shí)候關(guān)，開關(guān)多長(zhǎng)時(shí)間是由逆變器的CPU來控制的，但是DSP輸出是一個(gè)PWM信號(hào)，速度很快，但功率不夠，驅(qū)動(dòng)器最主要的作用是放大PWM信號(hào)。

IGBT控制很大的高頻大電流，會(huì)產(chǎn)生電磁干擾信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器又和IGBT隔得很近，因此驅(qū)動(dòng)電路要有隔離功能，目前驅(qū)動(dòng)隔離方案有光耦、光纖、脈沖變壓器、磁耦等幾種。各種方式的優(yōu)缺點(diǎn)如下：

2、IGBT過電流/短路保護(hù)

IGBT在設(shè)計(jì)時(shí)，電流一般都會(huì)留有10%以上的裕量。但是，逆變器在工作時(shí)，由于組件、負(fù)載短路，負(fù)載側(cè)故障導(dǎo)致過流，負(fù)載側(cè)有特別大的感性負(fù)載，啟停時(shí)有很大的諧波電流，這時(shí)候逆變器輸出電流會(huì)急劇上升，導(dǎo)致IGBT的工作電流也會(huì)對(duì)應(yīng)急劇上升。IGBT短路分為兩種情況：變流器的橋臂內(nèi)發(fā)生直通，稱為一類短路，變流器短路點(diǎn)發(fā)生在負(fù)載側(cè)，等效短路阻抗較大，稱為二類短路。二類短路一般也可認(rèn)為是逆變器發(fā)生較嚴(yán)重的過流。在短路發(fā)生時(shí)刻，如果不采取相關(guān)措施，就會(huì)導(dǎo)致IGBT快速進(jìn)入退飽和，瞬態(tài)功耗超過限值而損壞，因?yàn)镮GBT承受過電流的時(shí)間僅為幾微秒。因此，當(dāng)短路發(fā)生時(shí)，要盡快關(guān)斷IGBT，而且關(guān)斷的速度要平緩，保證電流變化速率在一定范圍，避免關(guān)斷過快而引起電壓應(yīng)力超過限值而損壞IGBT，有源鉗位的方案中增加快速響應(yīng)措施，使得IGBT驅(qū)動(dòng)能夠盡快動(dòng)作。

3、IGBT過溫保護(hù)

當(dāng)逆變器環(huán)境溫度過高、逆變器散熱不良，持續(xù)過熱均會(huì)導(dǎo)使IGBT損壞。如果器件持續(xù)短路，大電流產(chǎn)生的功耗將引起溫升，若芯片溫度超過硅本征溫度（約250℃），器件將失去阻斷能力，柵極控制就無法保護(hù)，從而導(dǎo)致IGBT失效。在設(shè)計(jì)時(shí)主要從兩個(gè)方面去考慮：第一，加強(qiáng)完善IGBT管的散熱條件，包括風(fēng)道設(shè)計(jì)、散熱器的設(shè)計(jì)制作，加強(qiáng)制冷等；第二，設(shè)計(jì)過熱檢測(cè)保護(hù)電路，用IGBT模塊上內(nèi)置的熱敏電阻來測(cè)量IGBT散熱溫度，是很準(zhǔn)確的，當(dāng)溫度超過設(shè)定值時(shí)，關(guān)斷IGBT使其停止工作。

4、IGBT機(jī)械故障保護(hù)

為了散熱方便，IGBT都是通過螺絲連接，安裝在散熱器上，這個(gè)螺絲的連接強(qiáng)度非常有講究，要恰到好處，如果力量太大，會(huì)損壞IGBT。如果力量太輕，在運(yùn)輸和安裝過程中，由于振動(dòng)會(huì)造成接觸不良，熱阻增加，器件過溫?fù)p壞。在安裝IGBT時(shí)，都會(huì)使用專門的螺絲批，根據(jù)IGBT型號(hào)，采用相應(yīng)的扭力，保證IGBT既連接牢固，又不會(huì)損壞。

結(jié)論

IGBT是逆變器中最嬌氣，最敏感，最容易損壞的器件；同時(shí)也是逆變器中最昂貴，最關(guān)鍵的器件，逆變器必須采取很多措施去保護(hù)她。