工程師研發(fā)日記：光伏逆變器可靠性設(shè)計(jì)

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光伏逆變器由電阻、電容、繼電器、接插件、半導(dǎo)體器件及集成電路等元器件組成的。系統(tǒng)的可靠性除取決于這些電子元器件的固有可靠性外，還與設(shè)計(jì)時(shí)元器件能否合理選用有關(guān)。

元器件的選用要遵循下述原則：

1）在元器件型號(hào)、規(guī)格眾多的情況下，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品要實(shí)現(xiàn)的功能要求及環(huán)境條件，選用相應(yīng)種類、型號(hào)規(guī)格及質(zhì)量等級(jí)的元器件。

2）估算元器件使用時(shí)的應(yīng)力情況，確定元器件的極限值，按降額設(shè)計(jì)技術(shù)，選用元器件。

3）根據(jù)產(chǎn)品要求的可靠性等級(jí)，選用與其適應(yīng)的、符合生產(chǎn)許可證審查要求的A，B，C 級(jí)元器件。

4）設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，盡量選用標(biāo)準(zhǔn)元器件，并使品種簡化，這是大型電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要原則，也是系統(tǒng)總體對(duì)部件及線路設(shè)計(jì)者提出的約束條件。

5）對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)的元器件要進(jìn)行嚴(yán)格的驗(yàn)證，使用時(shí)要經(jīng)過批準(zhǔn)手續(xù)。

6）制定元器件選用手冊(cè)，規(guī)范元器件的選用和采購。

降額設(shè)計(jì)的依據(jù)

所謂降額設(shè)計(jì)，就是使元器件運(yùn)用于比額定值低的應(yīng)力狀態(tài)的一種設(shè)計(jì)技術(shù)。為了提高元器件的使用可靠性以及延長產(chǎn)品的壽命，必須有意識(shí)地降低施加在器件上的工作應(yīng)力（如：電、熱、機(jī)械應(yīng)力等），降額的條件及降額的量值必須綜合確定，以保證電路既能可靠性地工作，又能保持其所需的性能。降額的措施也隨元器件類型的不同而有不同的規(guī)定，如電阻降額是降低其使用功率與額定功率之比；電容降額是使工作電壓低于額定電壓；半導(dǎo)體分立器件降額是使功耗低于額定值；接觸元件則必須降低張力、扭力、溫度和降低其它與特殊應(yīng)用有關(guān)的限制。

降額的等級(jí)分為三個(gè)等級(jí)，分別稱I 級(jí)降額、II 級(jí)降額和III 級(jí)降額。

I 級(jí)降額是最大降額，超過它的更大降額，元器件的可靠性增長有限，而且使設(shè)計(jì)難以實(shí)現(xiàn)。I 級(jí)降額適用于下述情況：設(shè)備的失效將嚴(yán)重危害人員的生命安全，可能造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，導(dǎo)致工作任務(wù)的失敗，失敗后無法維修或維修在經(jīng)濟(jì)上不合算等。

II 級(jí)降額指元器件在該范圍內(nèi)降額時(shí)，設(shè)備的可靠性增長是急劇的，且設(shè)備設(shè)計(jì)較I 級(jí)降額易于實(shí)現(xiàn)。II 級(jí)降額適用于設(shè)備的失效會(huì)使工作水平降級(jí)或需支付不合理的維修費(fèi)用等場(chǎng)合。

III 級(jí)降額指元器件在該范圍內(nèi)降額時(shí)設(shè)備的可靠性增長效益最大，且在設(shè)備設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)困難最小，它適用于設(shè)備的失效對(duì)工作任務(wù)的完成影響小，不危及工作任務(wù)的完成或可迅速修復(fù)的情況。

降額應(yīng)注意的問題

1）有些元器件的負(fù)荷應(yīng)力是不能降額或者對(duì)最大降額有限制的，如電子管的燈絲電壓、繼電器線包的吸合電流是不能降額的，否則電子管的壽命要降低；

2）有些元器件降額到一定程度時(shí)卻得不到預(yù)期的降額效果。如薄膜電阻器的功率減額到10%以下時(shí)，一般二極管的反向電壓減額到最大反向電壓的60%以下時(shí)，失效率將不再下降；

3）有些類型電容器的降額可能發(fā)生低電平失效，即當(dāng)電容器兩端電壓過低時(shí)呈現(xiàn)開路失效，也就是說，降額不但不能使失效率下降，反而會(huì)使失效率增高。

降額系數(shù)的選擇大部分是依靠試驗(yàn)數(shù)據(jù)和根據(jù)元器件使用的環(huán)境因子來確定。確定降額系數(shù)的方法如下：

1）數(shù)學(xué)模型及基本失效率與溫度、降額系數(shù)之間的關(guān)系曲線；

2）減額曲線給出了為保證元器件可靠工作所選擇的降額系數(shù)與溫度之間的函數(shù)關(guān)系，當(dāng)在該減額曲線上工作的半導(dǎo)體結(jié)溫達(dá)到其最高結(jié)溫時(shí)，其失效率仍然較高；

3）應(yīng)用減額圖，即在減額曲線的下方，通過試驗(yàn)找到一條半導(dǎo)體結(jié)溫較低的減額曲線；

4）各種元器件的減額因子參見國家標(biāo)準(zhǔn)。