淺談“非主流”光伏技術(shù)（十四）：逆變器壽命與溫度

業(yè)內(nèi)都知道光伏電站壽命要達到25年，這個“概念”。然而這個“概念”卻無法得知出處。本文將從光伏電站核心－－逆變器的可靠性設(shè)計的角度出發(fā)，去論證逆變器的壽命。

逆變器屬于電力電子產(chǎn)品，特別是組串式逆變器，我們可以把它認(rèn)為是一臺電視機、一臺電冰箱。7、80年代出生人，對自己家的家用電器應(yīng)該記憶猶新。那個時代，家里的日本產(chǎn)的電視機、電冰箱都用到了21世紀(jì)初。跨度達到了20年，所以，一個電力電子產(chǎn)品設(shè)計和使用壽命達到20并不是一個“概念”。筆者曾經(jīng)見過SMA的sun boy 3kw逆變器用了12年，依舊嶄新。

但是上述產(chǎn)品都安裝在室內(nèi)，使用環(huán)境相當(dāng)好。

1．1 “產(chǎn)品的可靠性”學(xué)科的來歷

產(chǎn)品可靠性是一個科學(xué)體系，是一門學(xué)科。其前身是伴隨著軍工和兵器工業(yè)的發(fā)展而誕生和發(fā)展。具有代表性的事件是，德國發(fā)射的火箭不可靠及美國的航空無線電設(shè)備不能正常工作。德國使用V－2火箭襲擊倫敦，有80枚火箭沒有起飛就爆炸，還有的火箭沒有到達目的地就墜落；美國當(dāng)時的航空無線電設(shè)備有60％不能正常工作，其電子設(shè)備在規(guī)定的使用期限內(nèi)僅有30％的時間能有效工作。二戰(zhàn)期間，因可靠性引起的飛機損失慘重，損失飛機2100架，是被擊落飛機的1．5倍。

1939年瑞典人威布爾為了描述材料的疲勞強度而提出了威布爾分布，后來成為可靠性最常用的分布之一。德國的V－1火箭是第一個運用系統(tǒng)可靠性理論計算的飛行器。德國在研制V－1火箭后期，提出用串聯(lián)系統(tǒng)理論，得出火箭系統(tǒng)可靠度等于所有元器件、零部件乘積的結(jié)論。根據(jù)可選性乘積定律，計算出該火箭可靠度為0．75。而電子管的可選性太差是導(dǎo)致美國航空無線電設(shè)備可靠性問題的最大因素。于是美國在1943年成立成立電子管研究委員會，專門研究電子管的可靠性問題。

所以我們今天看到的產(chǎn)品可靠性評估報告中引用的標(biāo)準(zhǔn)都是軍用標(biāo)準(zhǔn)就不足為奇了。比如我們國家的電子產(chǎn)品評估系統(tǒng)中，引用的標(biāo)準(zhǔn)都是軍標(biāo)－－GJB／Z299B－98（國軍標(biāo)）；MIL－HDBK（美軍標(biāo)）。

2．逆變器的主要組成和壽命

逆變器主要由印刷線路板、IGBT、直流母線電容器、液晶顯示屏幕組成。為什么這樣分類，主要是從部件壽命的角度出發(fā)。大部分的電阻、電感、電容都焊接到了印刷線路板上，所以這些元器件的可以歸為一類。IGBT是開關(guān)元器件，也是焊接在線路板上面，比較耐高溫，原則上也可以歸類于印刷線路板。母線電容的壽命與溫度和電壓有很直接的關(guān)系，所以單列出來。液晶屏幕是整個逆變器的最易損件，壽命最短，也需要單列。（很多廠家逆變器都沒有液晶顯示屏幕，就是考慮了產(chǎn)品的可靠性。）

2．1直流母線電容的壽命預(yù)計

根據(jù)NCC電容壽命計算公式

此處LX＝預(yù)期電容壽命（小時）

L0＝電容標(biāo)稱壽命（3000小時）

T0＝電容標(biāo)稱的額定工作溫度（105度）

T＝電容實際工作溫度

T＝75，為逆變器在45度環(huán)境溫度下測試的最大電容溫度；

如果一天逆變器滿載工作4小時，則電容的壽命

＝24000／4／365＝16．4年

如果一天逆變器滿載工作6小時，則電容的壽命

＝24000／6／365＝10．9年

金屬薄膜電容器具有高儲能密度、造價低、軟失效等特性，它是由兩張單面蒸涂薄金屬（鋁或鋁合金）的有機膜繞卷而成的，由于膜帶有雜質(zhì)或缺陷的區(qū)域，這些區(qū)域的耐電強度較低，形成“電弱點”。在外施電壓不斷作用下，電弱點處薄膜會先被擊穿而形成放電通道，在薄膜被擊穿的同時，電荷通過擊穿點形成大電流，引起局部高溫，擊穿點處的薄金屬層會迅速蒸發(fā)并向外擴散使絕緣恢復(fù)，這種特性即為電容器的“自愈”。電容器不斷“自愈”的結(jié)果是，電容器電容值不斷下降，當(dāng)超過初始容值的5％時，電容器容值不再滿足要求，發(fā)生退化失效。除了退化型失效外，電容器還可能被擊穿（對外呈短路狀態(tài)）該失效模式是突發(fā)型的，這種突發(fā)失效可能

受電容器容值影響，電容器不斷自愈容值降低后，其被擊穿的可能性增加。

所以薄膜電容的失效或者說故障與電壓高低和使用溫度有很大的關(guān)系。

2．2 印刷線路板與IGBT

電子產(chǎn)品的失效產(chǎn)生于不良的設(shè)計、元件失效及生產(chǎn)過程工藝問題，而目前電子產(chǎn)品的組裝方式主要以表面貼裝焊接（SMT）、通孔插裝焊接（THT）或兩者的混合工藝為主要裝配形式，在組裝件的基本構(gòu)成中，元件、PCB、互連焊點三者都關(guān)聯(lián)著產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性。

目前電子產(chǎn)品的失效形式主要有兩大類。

一類是組成產(chǎn)品的元器件在一定的溫度、濕度、EOS等環(huán)境中的功能失效，導(dǎo)致整個產(chǎn)品電氣性能失效．

另一類就是在產(chǎn)品中起互聯(lián)作用的焊點失效，電子電路中電氣信號的暢通、機械連接的可靠將完全由互連焊點保障，焊點失效可能導(dǎo)致整個電子電路癱瘓。

就IBGT而言，IGBT有著比較好的高溫特性，可以看做一個開關(guān)。目前很少有聽說IBGT元器件本身失效的問題。那么這里也可以把IGBT歸為普通的元器件。

總結(jié)起來，印刷線路的失效就是元器件本身，和焊接點失效兩種。

2．3 液晶屏失效

液晶屏失效的種類可以說是五花八門。筆者見過很多故障。

首先是按鍵故障

市面上大部分的逆變器都是按鍵操作的，這種故障往往就是接觸不良，元器件接觸點老化造成的。

然后就是黑屏

黑屏故障主要是電源及背光燈驅(qū)動板故障和信號轉(zhuǎn)換及液晶驅(qū)動板故障。由于信號轉(zhuǎn)換及液晶驅(qū)動板屬小信號處理，功耗極小，因此故障率相對較低。所以黑屏故障一般主要是電源和驅(qū)動部分。

那么主要問題來了，電源和驅(qū)動板由于功耗較大如果散熱不良，線路板容易老化，同時濾波的電解電容的電解液容易被烤干。

那么綜上所述還是溫度惹的禍。

3．電子產(chǎn)品可靠性的計算方式

3．1 產(chǎn)品的可靠性的概念

逆變器的可靠性是指在規(guī)定條件下（比如45℃），且于指定時間內(nèi)（比如25年），能依要求發(fā)揮功能的概率。

假設(shè)開始時有1000臺逆變器安裝在一個項目上，十年后正常工作50臺則十年后的（87600小時）

可靠性R（t＝87600H）為50／100＝0．5

同理故障率為50／100＝0．5

所以逆變器的可靠性是一個隨時間變化的函數(shù)