光伏逆变器的IGBT保护技术

时间： 2024-01-12 来源：芯际探索公众号

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自20世纪70年代全球爆发石油危机以来，太阳能光伏发电技术引起了各国高度重视，光伏行业在全球迅速发展，经过多年的研究和技术开发，太阳能光伏组件价格已大幅下降，且太阳能转化效率也得以提高，使得太阳能光伏发电的商业化开发与应用成为现实。

光伏逆变器是光伏发电系统的核心设备，其主要功能是将光伏发电系统所发的直流电转化成交流电，并跟踪光伏组件阵列的最大输出功率，将其能量以最小的变换损耗、最佳的电能质量用于电器设备应用或馈入电网。

图1 太阳能光伏发电系统

光伏逆变器的分类

光伏逆变器分为四大类：集中式、组串式、集散式和微型。其中，集中式逆变器与组串式逆变器为我国光伏逆变器的主流产品，占比分别为45%、42%。

图2 光伏逆变器分类

光伏逆变器的构成

从光伏逆变器的成本构成上看，直接材料成本占比非常高，超过80%，可大致分为四个部分：功率半导体（主要为IGBT），机构件（塑胶件、压铸件、散热器、钣金件等）（30%左右），辅材（绝缘材料、包材等），以及其它电子元器件（电容、电感、集成电路等）（15%）。其中以IGBT为主的半导体器件占逆变器成本约11.8%左右。

截至2021年底，光伏发电并网装机容量达到3.06亿千瓦，突破3亿千瓦大关，连续7年稳居全球首位。行业得到快速发展，光伏产业已正式进入平价上网时代。

根据国家能源部数据：2021年中国光伏新增装机量达54.9GW，其中分布式新增装机容量不断增长，2021年占比首次超过50%，装机量为29.3GW，其中新疆、西藏等地的光伏消纳水平显著提升。

光伏逆变器的作用

IGBT在光伏逆变器的核心利用体现在驱动保护、过电流/短路保护、过温保护、机械故障保护等四个方面。

IGBT作为功率器件，在逆变器中承担着功率变换和能量传输的作用，是逆变器的心脏。同时，IGBT又是逆变器中最不可靠的元器件之一，对器件的温度和电流非常敏感，稍有超标便会炸机且不可修复。因此IGBT是逆变器的重点保护对象。

光伏逆变器的保护

1、驱动保护

IGBT本身是一个电流开关的器件，开关多长时间是由逆变器的CPU来控制的，但是DSP输出是一个PWM信号，速度很快，但功率不够，驱动器最主要的作用是放大PWM信号。

IGBT控制很大的高频大电流，会产生电磁干扰信号，驱动器又和IGBT隔得很近，因此驱动电路要有隔离功能，目前驱动隔离方案有光耦、光纤、脉冲变压器、磁耦等几种。

2、过电流/短路保护

在设计IGBT时，电流一般都会留有10%以上的裕量。但是，逆变器在工作时，由于组件、负载短路，负载侧故障导致过流，负载侧有特别大的感性负载，启停时有很大的谐波电流，这时候逆变器输出电流会急剧上升，导致IGBT的工作电流也会对应急剧上升。

IGBT短路分为两种情况：变流器的桥臂内发生直通，称为一类短路，变流器短路点发生在负载侧，等效短路阻抗较大，称为二类短路。二类短路一般也可认为是逆变器发生较严重的过流。

在短路发生时刻，如果不采取相关措施，就会导致IGBT快速进入退饱和，瞬态功耗超过限值而损坏，因为IGBT承受过电流的时间仅为几微秒。

因此，当短路发生时，要尽快关断IGBT，而且关断的速度要平缓，保证电流变化速率在一定范围，避免关断过快而引起电压应力超过限值而损坏IGBT，有源钳位的方案中增加快速响应措施，使得IGBT驱动能够尽快动作。

3、过温保护

当逆变器环境温度过高、逆变器散热不良，持续过热均会导致IGBT的损坏。如果器件持续短路，大电流产生的功耗将引起温升，若芯片温度超过硅本征温度（约250℃），器件将失去阻断能力，栅极控制就无法保护，从而导致IGBT失效。

在设计时主要从两个方面去考虑：第一，加强完善IGBT管的散热条件，包括风道设计、散热器的设计制作，加强制冷等;第二，设计过热检测保护电路，用IGBT模块上内置的热敏电阻来测量IGBT散热温度，是很准确的，当温度超过设定值时，关断IGBT使其停止工作。

4、机械故障保护

为了散热方便，IGBT都是通过螺丝连接，安装在散热器上，这个螺丝的连接强度要恰到好处，既不能力量太大，也不能力量太轻。如果力量太大，会损坏IGBT；如果力量太轻，在运输和安装过程中，由于振动会造成接触不良，热阻增加，器件过温损坏。在安装IGBT时，都会使用专门的螺丝批，根据IGBT型号，采用相应的扭力，保证IGBT连接牢固的同时又不会被损坏。

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