工程師研發(fā)日記：光伏逆變器可靠性設計

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光伏逆變器由電阻、電容、繼電器、接插件、半導體器件及集成電路等元器件組成的。系統的可靠性除取決于這些電子元器件的固有可靠性外，還與設計時(shí)元器件能否合理選用有關(guān)。

元器件的選用要遵循下述原則：

1）在元器件型號、規格眾多的情況下，應根據產(chǎn)品要實(shí)現的功能要求及環(huán)境條件，選用相應種類(lèi)、型號規格及質(zhì)量等級的元器件。

2）估算元器件使用時(shí)的應力情況，確定元器件的極限值，按降額設計技術(shù)，選用元器件。

3）根據產(chǎn)品要求的可靠性等級，選用與其適應的、符合生產(chǎn)許可證審查要求的A，B，C 級元器件。

4）設計產(chǎn)品時(shí)，盡量選用標準元器件，并使品種簡(jiǎn)化，這是大型電子系統設計的一個(gè)重要原則，也是系統總體對部件及線(xiàn)路設計者提出的約束條件。

5）對非標準的元器件要進(jìn)行嚴格的驗證，使用時(shí)要經(jīng)過(guò)批準手續。

6）制定元器件選用手冊，規范元器件的選用和采購。

降額設計的依據

所謂降額設計，就是使元器件運用于比額定值低的應力狀態(tài)的一種設計技術(shù)。為了提高元器件的使用可靠性以及延長(cháng)產(chǎn)品的壽命，必須有意識地降低施加在器件上的工作應力（如：電、熱、機械應力等），降額的條件及降額的量值必須綜合確定，以保證電路既能可靠性地工作，又能保持其所需的性能。降額的措施也隨元器件類(lèi)型的不同而有不同的規定，如電阻降額是降低其使用功率與額定功率之比；電容降額是使工作電壓低于額定電壓；半導體分立器件降額是使功耗低于額定值；接觸元件則必須降低張力、扭力、溫度和降低其它與特殊應用有關(guān)的限制。

降額的等級分為三個(gè)等級，分別稱(chēng)I 級降額、II 級降額和III 級降額。

I 級降額是最大降額，超過(guò)它的更大降額，元器件的可靠性增長(cháng)有限，而且使設計難以實(shí)現。I 級降額適用于下述情況：設備的失效將嚴重危害人員的生命安全，可能造成重大的經(jīng)濟損失，導致工作任務(wù)的失敗，失敗后無(wú)法維修或維修在經(jīng)濟上不合算等。

II 級降額指元器件在該范圍內降額時(shí)，設備的可靠性增長(cháng)是急劇的，且設備設計較I 級降額易于實(shí)現。II 級降額適用于設備的失效會(huì )使工作水平降級或需支付不合理的維修費用等場(chǎng)合。

III 級降額指元器件在該范圍內降額時(shí)設備的可靠性增長(cháng)效益最大，且在設備設計上實(shí)現困難最小，它適用于設備的失效對工作任務(wù)的完成影響小，不危及工作任務(wù)的完成或可迅速修復的情況。

降額應注意的問(wèn)題

1）有些元器件的負荷應力是不能降額或者對最大降額有限制的，如電子管的燈絲電壓、繼電器線(xiàn)包的吸合電流是不能降額的，否則電子管的壽命要降低；

2）有些元器件降額到一定程度時(shí)卻得不到預期的降額效果。如薄膜電阻器的功率減額到10%以下時(shí)，一般二極管的反向電壓減額到最大反向電壓的60%以下時(shí)，失效率將不再下降；

3）有些類(lèi)型電容器的降額可能發(fā)生低電平失效，即當電容器兩端電壓過(guò)低時(shí)呈現開(kāi)路失效，也就是說(shuō)，降額不但不能使失效率下降，反而會(huì )使失效率增高。

降額系數的選擇大部分是依靠試驗數據和根據元器件使用的環(huán)境因子來(lái)確定。確定降額系數的方法如下：

1）數學(xué)模型及基本失效率與溫度、降額系數之間的關(guān)系曲線(xiàn)；

2）減額曲線(xiàn)給出了為保證元器件可靠工作所選擇的降額系數與溫度之間的函數關(guān)系，當在該減額曲線(xiàn)上工作的半導體結溫達到其最高結溫時(shí)，其失效率仍然較高；

3）應用減額圖，即在減額曲線(xiàn)的下方，通過(guò)試驗找到一條半導體結溫較低的減額曲線(xiàn)；

4）各種元器件的減額因子參見(jiàn)國家標準。