浅谈“非主流”光伏技术(十四)——逆变器寿命与温度

业内都知道光伏电站寿命要达到25年，这个“概念”。然而这个“概念”却无法得知出处。本文将从光伏电站核心---逆变器的可靠性设计的角度出发，去论证逆变器的寿命。

逆变器属于电力电子产品，特别是组串式逆变器，我们可以把它认为是一台电视机、一台电冰箱。7、80年代出生人，对自己家的家用电器应该记忆犹新。那个时代，家里的日本产的电视机、电冰箱都用到了21世纪初。跨度达到了20年，所以，一个电力电子产品设计和使用寿命达到20并不是一个“概念”。笔者曾经见过SMA的sun boy 3kw逆变器用了12年，依旧崭新。

但是上述产品都安装在室内，使用环境相当好。

1.1 “产品的可靠性”学科的来历

产品可靠性是一个科学体系，是一门学科。其前身是伴随着军工和兵器工业的发展而诞生和发展。具有代表性的事件是，德国发射的火箭不可靠及美国的航空无线电设备不能正常工作。德国使用V-2火箭袭击伦敦，有80枚火箭没有起飞就爆炸，还有的火箭没有到达目的地就坠落;美国当时的航空无线电设备有60%不能正常工作，其电子设备在规定的使用期限内仅有30%的时间能有效工作。二战期间，因可靠性引起的飞机损失惨重，损失飞机2100架，是被击落飞机的1.5倍。

1939 年瑞典人威布尔为了描述材料的疲劳强度而提出了威布尔分布，后来成为可靠性最常用的分布之一。德国的V-1火箭是第一个运用系统可靠性理论计算的飞行器。德国在研制V-1火箭后期，提出用串联系统理论，得出火箭系统可靠度等于所有元器件、零部件乘积的结论。根据可选性乘积定律，计算出该火箭可靠度为0.75。而电子管的可选性太差是导致美国航空无线电设备可靠性问题的最大因素。于是美国在1943年成立成立电子管研究委员会，专门研究电子管的可靠性问题。

所以我们今天看到的产品可靠性评估报告中引用的标准都是军用标准就不足为奇了。比如我们国家的电子产品评估系统中，引用的标准都是军标--GJB/Z299B-98(国军标);MIL-HDBK(美军标)。

2.逆变器的主要组成和寿命

逆变器主要由印刷线路板、IGBT、直流母线电容器、液晶显示屏幕组成。为什么这样分类，主要是从部件寿命的角度出发。大部分的电阻、电感、电容都焊接到了印刷线路板上，所以这些元器件的可以归为一类。IGBT是开关元器件，也是焊接在线路板上面，比较耐高温，原则上也可以归类于印刷线路板。母线电容的寿命与温度和电压有很直接的关系，所以单列出来。液晶屏幕是整个逆变器的最易损件，寿命最短，也需要单列。(很多厂家逆变器都没有液晶显示屏幕，就是考虑了产品的可靠性。)

2.1直流母线电容的寿命预计

根据 NCC 电容寿命计算公式：

此处：LX =预期电容寿命(小时)

L0=电容标称寿命(3000 小时)

T0=电容标称的额定工作温度(105 度)

T=电容实际工作温度

T=75，为逆变器在 45 度环境温度下测试的最大电容温度;

如果一天逆变器满载工作 4 小时，则电容的寿命：

=24000/4/365=16.4 年

如果一天逆变器满载工作 6 小时，则电容的寿命：

=24000/6/365=10.9 年

金属薄膜电容器具有高储能密度、造价低、软失效等特性，它是由两张单面蒸涂薄金属(铝或铝合金)的有机膜绕卷而成的，由于膜带有杂质或缺陷的区域，这些区域的耐电强度较低，形成“电弱点”。在外施电压不断作用下，电弱点处薄膜会先被击穿而形成放电通道，在薄膜被击穿的同时，电荷通过击穿点形成大电流，引起局部高温，击穿点处的薄金属层会迅速蒸发并向外扩散使绝缘恢复，这种特性即为电容器的“自愈”。电容器不断“自愈”的结果是，电容器电容值不断下降，当超过初始容值的5%时，电容器容值不再满足要求，发生退化失效。除了退化型失效外，电容器还可能被击穿(对外呈短路状态)该失效模式是突发型的，这种突发失效可能

受电容器容值影响，电容器不断自愈容值降低后，其被击穿的可能性增加。

所以薄膜电容的失效或者说故障与电压高低和使用温度有很大的关系。

2.2印刷线路板与IGBT

电子产品的失效产生于不良的设计、元件失效及生产过程工艺问题，而目前电子产品的组装方式主要以表面贴装焊接(SMT)、通孔插装焊接(THT)或两者的混合工艺为主要装配形式，在组装件的基本构成中，元件、PCB、互连焊点三者都关联着产品的质量与可靠性。

目前电子产品的失效形式主要有两大类。

一类是组成产品的元器件在一定的温度、湿度、EOS等环境中的功能失效，导致整个产品电气性能失效.

另一类就是在产品中起互联作用的焊点失效，电子电路中电气信号的畅通、机械连接的可靠将完全由互连焊点保障，焊点失效可能导致整个电子电路瘫痪。

就IBGT而言，IGBT有着比较好的高温特性，可以看做一个开关。目前很少有听说IBGT元器件本身失效的问题。那么这里也可以把IGBT归为普通的元器件。

总结起来，印刷线路的失效就是元器件本身，和焊接点失效两种。

2.3液晶屏失效

液晶屏失效的种类可以说是五花八门。笔者见过很多故障。

首先是按键故障：

市面上大部分的逆变器都是按键操作的，这种故障往往就是接触不良，元器件接触点老化造成的。

然后就是黑屏：

黑屏故障主要是电源及背光灯驱动板故障和信号转换及液晶驱动板故障。由于信号转换及液晶驱动板属小信号处理，功耗极小，因此故障率相对较低。所以黑屏故障一般主要是电源和驱动部分。

那么主要问题来了，电源和驱动板由于功耗较大如果散热不良，线路板容易老化，同时滤波的电解电容的电解液容易被烤干。

那么综上所述还是温度惹的祸。

3.电子产品可靠性的计算方式

3.1 产品的可靠性的概念

逆变器的可靠性是指在规定条件下(比如：45℃),且于指定时间内(比如：25年),能依要求发挥功能的概率。

假设 开始时有1000台逆变器安装在一个项目上,十年后正常工作50台 则十年后的(87600小时)

可靠性R(t=87600H) 为50/100=0.5

同理故障率为50/100=0.5

所以逆变器的可靠性是一个随时间变化的函数

3.2 “浴盆”曲线

因为“可靠性”或故障率”是随时间变化的函数，曲线的形状呈两头高，中间低，具有明显的阶段性，可划分为三个阶段：早期故障期，恒定故障期，严重故障期或者叫耗竭期。浴盆曲线是指产品从投入到报废为止的整个寿命周期内，其可靠性的变化呈现一定的规律。如果取产品的失效率作为产品的可靠性特征值，它是以使用时间为横坐标，以失效率为纵坐标的一条曲线。因该曲线两头高，中间低，所以称为“浴盆曲线”。如下图

早期故障期：

往往在出厂前，通过老化测试就可以发现。主要原因是来料不良和焊接工艺的瑕疵引起的。或者货到现场的安装后的很短的时间就出现故障。这段时间出现的故障就是 早期故障期。

为了在出厂前及时尽快的发现问题，往往会对机器进行高温烘烤---老化测试。电容等元器件，在出厂前会进行电压测试，比如额定1000V的电容，一般会在2000V的电压下保证1分钟不击穿。

恒定故障期：

经过一年两年的使用后，机器不发生故障或者故障率极低，运行的很稳定。

耗竭期：

由于各个元器件的寿命到期，此阶段故障率升高。产品寿命到期。

3.3 如何计算电子产品的可靠性

元件记数法适用于电子设备方案论证阶段和初步设计阶段，元器件

的种类和数量大致已确定，但具体的工作应力和环境等尚未明确时，对系统基本可靠性进行预计。其基本原理也是对元器件“基本故障率”的修正。 GJB/Z299B-98参照MIL-HDBK-217F 。

其计算步骤是：先计算设备中各种型号和各种类型的元器件数目，

然后再乘以相应型号或相应类型元器件的基本故障率，最后把各乘

积累加起来，即可得到部件、系统的故障率。

式中：

λp —某类元器件预计的工作故障率

λb —该类元器件的通用故障率(需查表)

πq —该类元器件的质量等级系数(需查表)

πt—该类元器件的温度应力系数(需查表)

πe—该类元器件的环境系数(需查表)

举例：

某电子设备由4个调整二极管、2个合成电阻器、4个云母电容器组成，所有器件都是国产的，质量等级都是 B1 。设备的工作环境为室内。计算该设备的基本可靠性。

计算步骤：

(1) 国产器件，使用 GJB/Z 299B-98 ;

(2) 确定设备的工作环境类别： A;

(3) 确定元器件的种类：调整二极管、合成电阻器、云母电容器;

(4) 确定元器件的质量等级，全部为 B1 ;

元件计数法举例

(5) 查 GJB/Z 299B-98 中的表 5.2-15 、表 5.2-17 、表 5.2-18 ，确定元器件的通用失效率：

调整二极管：λ1 = 2.24(10-6/h)

合成电阻器：λ2 = 0.05(10-6/h)

云母电容器：λ3 = 0.12(10-6/h)

(6) 查 GJB/Z 299B-98 中的表 5.2-24 、表 5.2-25 ，确定元器件的

质量系数：

调整二极管：πQ1 = 0.6合成电阻器：π Q2 = 0.6云母电容器：π Q3 = 0.5

(7)确定元器件的数目：

调整二极管： 4;

合成电阻器： 2;

云母电容器： 4;

(8)计算设备的基本可靠性：

λ设备= N 1 λ 1 π Q1 + N 2 λ 2 π Q2 + N 3 λ 3 π Q3

=4×2.24×0.6+2×0.05×0.6+4×0.12×0.5

=5.676(10-6/h)

设备使用年限=1/λ =176180.4(h)=20年

同样逆变器的寿命也是如此算出，只不过逆变器的元器件非常多，不能例举。

下图为某型号组串逆变器在不同温度下的使用寿命(电容、液晶屏不计算在内)

可见，温度越高，使用逆变器寿命越短。

小结：1.本文从可靠性研究的发展入手，阐述了该学科的严谨性。

2.分析介绍了影响逆变器寿命的几块“木板”，并通过分析阐述了温度是影响各个部分的主要因素。3.介绍了产品可靠性的概念和简单计算方法，通过图表阐述了温度对逆变器PCB板和元器件寿命的影响。

文章作者：张喆