光伏逆變器的核心器件及保護機制

光伏逆變器是光伏系統(tǒng)非常重要的一個設備，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，逆變器還承擔檢測組件、電網(wǎng)、電纜運行狀態(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)標準NB32004-2013中，逆變器有100多個嚴格的技術(shù)參數(shù)，每一個參數(shù)合格才能拿到證書。國家質(zhì)檢總局每一年也會抽查，對光伏并網(wǎng)逆變器產(chǎn)品的保護連接、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/欠壓保護等9個項目進行了檢驗。一款全新的逆變器，從開發(fā)到量產(chǎn)，要兩年多時間才能出來，除了過欠電壓保護等功能外，逆變器還有很多鮮為人知的黑科技，如漏電流控制、散熱設計、電磁兼容、諧波抑制，關(guān)鍵器件保護，效率控制等等，需要投入大量的人力和物力去研發(fā)和測試。

本文主要介紹逆變器中的IGBT保護技術(shù)

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

1、IGBT驅(qū)動保護

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

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

2、IGBT過電流/短路保護

IGBT在設計時，電流一般都會留有10%以上的裕量。但是，逆變器在工作時，由于組件、負載短路，負載側(cè)故障導致過流，負載側(cè)有特別大的感性負載，啟停時有很大的諧波電流，這時候逆變器輸出電流會急劇上升，導致IGBT的工作電流也會對應急劇上升。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，變流器短路點發(fā)生在負載側(cè)，等效短路阻抗較大，稱為二類短路。二類短路一般也可認為是逆變器發(fā)生較嚴重的過流。在短路發(fā)生時刻，如果不采取相關(guān)措施，就會導致IGBT快速進入退飽和，瞬態(tài)功耗超過限值而損壞，因為IGBT承受過電流的時間僅為幾微秒。因此，當短路發(fā)生時，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力超過限值而損壞IGBT，有源鉗位的方案中增加快速響應措施，使得IGBT驅(qū)動能夠盡快動作。

3、IGBT過溫保護

當逆變器環(huán)境溫度過高、逆變器散熱不良，持續(xù)過熱均會導使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，從而導致IGBT失效。在設計時主要從兩個方面去考慮：第一，加強完善IGBT管的散熱條件，包括風道設計、散熱器的設計制作，加強制冷等；第二，設計過熱檢測保護電路，用IGBT模塊上內(nèi)置的熱敏電阻來測量IGBT散熱溫度，是很準確的，當溫度超過設定值時，關(guān)斷IGBT使其停止工作。

4、IGBT機械故障保護

為了散熱方便，IGBT都是通過螺絲連接，安裝在散熱器上，這個螺絲的連接強度非常有講究，要恰到好處，如果力量太大，會損壞IGBT。如果力量太輕，在運輸和安裝過程中，由于振動會造成接觸不良，熱阻增加，器件過溫損壞。在安裝IGBT時，都會使用專門的螺絲批，根據(jù)IGBT型號，采用相應的扭力，保證IGBT既連接牢固，又不會損壞。

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她。