散热方案选择可影响光伏逆变器寿命2-3倍

 摘要：采用不同的散热方式，将影响逆变器内各元器件的工作环境温度，进而直接关联各元器件及整机的寿命和故障率。温度对各主要元器件及产品寿命有多大影响？针对风冷自冷方案优劣讨论较多的组串型逆变器，通过产品实际比较，优劣更显而易见。

针对组串型光伏逆变器，业内在风冷自冷散热方案优劣上各有见解。本文分别取市场在销售的国内代表品牌30KW风冷组串光伏逆变器，和20KW自冷组串光伏逆变器（含内扰风扇，用于均匀机箱内部温度）为样本，分析风冷自冷方案对逆变器的寿命影响。

1、 风冷/自冷散热方式下内部器件的工作环境温度

选取两个产品样本在同等的正常工作环境下满载稳定运行，测试收集设备内部各关键元器件温度值如下表1。


从实测数据比较看，同等工作环境满载稳定运行，20KW自冷逆变器较30KW风冷逆变器机箱内各器件工作温度要高10℃左右。

2、关键器件工作温度与寿命的比较分析

2.1、膜电容寿命对比分析

根据对样本产品的内部温度实测数据，假定纹波电流相同，以1.1倍额定电压工作（曲线倾斜度一致，便于读值选取1.1倍，不影响比较结果），根据图1曲线可获得两者膜电容寿命对比如表2。


图1 膜电容寿命与温度关系曲线


在关键器件膜电容上，风冷散热工作环境下的器件寿命，是自冷散热工作环境下的器件寿命的三倍。

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2.2、内部风扇寿命对比分析

以三洋风扇为例，风扇寿命受温度影响的关系曲线如图2。根据对样本产品的内部温度实测数据，根据图2曲线可获得两者风扇寿命对比如表3：


图2 风扇寿命与温度关系曲线


在关键器件风扇上，风冷散热工作环境下的器件寿命，是自冷散热工作环境下的器件寿命的两倍以上。 

2.3、模块寿命对比分析

模块作为逆变器最为核心器件，其工作时内部结温直接影响使用寿命，图3是英飞凌提供的晶元结温与寿命对应关系曲线。根据对样本产品的内部温度实测数据，推算出模块结温和两者模块寿命对比如表4（推算过程专业性强，这里不在赘述）。





在关键器件模块上，风冷散热工作环境下的器件寿命，是自冷散热工作环境下的器件寿命的1.7倍。

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3、风扇器件寿命及可维护性

器件寿命直接决定整机寿命，故障器件可维护性直接影响整机的维护成本。在30KW风冷逆变器和20KW自冷逆变器的器件比较和设计中，30KW风冷逆变器在风扇设计和选型上有显著优势。

3.1、风扇寿命高于电站寿命

风扇是成熟的工业器件，应用于样本30KW风冷逆变器的是NMB风扇，防护等级为IP65，可在任何灰尘环境下，甚至完全浸入水中正常工作。图4为NMB风扇寿命曲线。

图4 NMB风扇寿命曲线

根据图4，以逆变器运行的最高环境温度50度计算，正常运行时间为60319小时。通过智能强制风冷控制，只有逆变器的模块温度达到70度以上，风扇才会满转，在正常一天内，满足满转条件的时间大概在6小时左右，一年为365天，可得风扇使用寿命如表5。

在最恶劣的情况下，30KW风冷逆变器风扇可运行27.5年。另外，考虑雨天、以及环境温度低于50℃等因素，风扇的运行寿命将更长。

3.2、风扇可维护性

30KW风冷逆变器的风扇工作寿命要远长于逆变器，通常情况下不需要对风扇进行维护，即便出现需要更换的情况，也具备良好快捷的可拆卸性，如图5。


图5 30KW风冷逆变器风扇可拆卸结构图

不同的维护人员3次对逆变器进行风扇更换，所用时间如下表6。

总结：通过对30KW风冷逆变器和20KW自冷逆变器在同等工作环境下的运行数据收集比较，风冷散热方式较自冷散热方式可提升各关键元器件寿命2-3倍。特别是风冷型逆变器的风扇，寿命超过逆变器本身寿命。