01前言
自20世紀70年代全球爆發石油危機以來,太陽能光伏發電技術引起了各國高度重視,光伏行業在全球迅速發展,經過多年的研究和技術開發,太陽能光伏組件價格已大幅下降,且太陽能轉化效率也得以提高,使得太陽能光伏發電的商業化開發與應用成為現實。
光伏逆變器是光伏發電系統的核心設備,其主要功能是將光伏發電系統所發的直流電轉化成交流電,并跟蹤光伏組件陣列的最大輸出功率,將其能量以最小的變換損耗、最佳的電能質量用于電器設備應用或饋入電網。
圖1 太陽能光伏發電系統
02光伏逆變器的分類
光伏逆變器分為四大類:集中式、組串式、集散式和微型。其中,集中式逆變器與組串式逆變器為我國光伏逆變器的主流產品,占比分別為45%、42%。
圖2 光伏逆變器分類
03光伏逆變器的構成
從光伏逆變器的成本構成上看,直接材料成本占比非常高,超過80%,可大致分為四個部分:功率半導體(主要為IGBT),機構件(塑膠件、壓鑄件、散熱器、鈑金件等)(30%左右),輔材(絕緣材料、包材等),以及其它電子元器件(電容、電感、集成電路等)(15%)。其中以IGBT為主的半導體器件占逆變器成本約11.8%左右。
截至2021年底,光伏發電并網裝機容量達到3.06億千瓦,突破3億千瓦大關,連續7年穩居全球首位。行業得到快速發展,光伏產業已正式進入平價上網時代。
根據國家能源部數據:2021年中國光伏新增裝機量達54.9GW,其中分布式新增裝機容量不斷增長,2021年占比首次超過50%,裝機量為29.3GW,其中新疆、西藏等地的光伏消納水平顯著提升。
04光伏逆變器的作用
IGBT在光伏逆變器的核心利用體現在驅動保護、過電流/短路保護、過溫保護、機械故障保護等四個方面。
IGBT作為功率器件,在逆變器中承擔著功率變換和能量傳輸的作用,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,對器件的溫度和電流非常敏感,稍有超標便會炸機且不可修復。因此IGBT是逆變器的重點保護對象。
05光伏逆變器的保護
1、驅動保護
IGBT本身是一個電流開關的器件,開關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,會產生電磁干擾信號,驅動器又和IGBT隔得很近,因此驅動電路要有隔離功能,目前驅動隔離方案有光耦、光纖、脈沖變壓器、磁耦等幾種。
2、過電流/短路保護
在設計IGBT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,負載側故障導致過流,負載側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:變流器的橋臂內發生直通,稱為一類短路,變流器短路點發生在負載側,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生較嚴重的過流。
在短路發生時刻,如果不采取相關措施,就會導致IGBT快速進入退飽和,瞬態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,當短路發生時,要盡快關斷IGBT,而且關斷的速度要平緩,保證電流變化速率在一定范圍,避免關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驅動能夠盡快動作。
3、過溫保護
當逆變器環境溫度過高、逆變器散熱不良,持續過熱均會導致IGBT的損壞。如果器件持續短路,大電流產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,關斷IGBT使其停止工作。
4、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要恰到好處,既不能力量太大,也不能力量太輕。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IGBT型號,采用相應的扭力,保證IGBT連接牢固的同時又不會被損壞。
來源:功率半導體生態圈
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原文標題:光伏逆變器的IGBT保護技術
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