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光伏逆变器与环境温度的关系

2018-12-18

1. 对比大部分户用光伏逆变器的产品规格书,会发现逆变器的工作温度范围都为-25至+60℃,为什么温度会选择在这个范围呢?

■ 首先安规要求逆变器外壳温度不能超过70℃,避免人体误碰触出现烫伤。

■ 其次这个温度范围满足全球绝大部分区域的环境温度要求。

■ 环境温度过高或过低都会影响逆变器寿命和工作稳定性。

光伏逆变器

2.环境温度过高或过低对逆变器的影响?

首先我们看下逆变器里关键元器件的工作温度:(如下表)

光伏逆变器

■环境温度过高

温度过高会降低元器件性能和寿命 ,例如:

电感:高温时电感容易饱和,饱和时电感量会减得很小,工作电流峰值会变得很大,功率元件会过流损坏。

电解电容:对于电解电容来说,环境温度每升高10℃,化学反应速率将增大2-10倍,即电容工作温度每升高10℃,电容寿命减少一半,而电容寿命经常被用来计算整机的使用寿命。

功率模块:随着环境温度的升高,功率模块工作时的芯片结温也持续升高,让模块承受很高的热应力,大大缩短使用寿命,一旦温度超过结温极限值,就会导致模块热击穿。所以设计中有一条规则显示模块在65℃以上的环境下工作时,温度每上升10℃,故障率便增加一倍。

光伏逆变器

  ▲3种不同额定温度电容使用寿命和环境温度的关系

光伏逆变器

  ▲功率模块在高温(红色)与低温(蓝色)的开关功率损耗对比

■ 环境温度过低

低温对逆变器的影响相较于高温要小,低温影响较大的元器件是电解电容和控制芯片。

电解电容:电解电容器的在低温工作时,其ESR则会增加10倍以上。额定温度-20 ℃或-40 ℃的器件其ESR将会增加更多,例如-40 ℃的器件其ESR将会增加100多倍。这样温度越低电解液离子迁移速度越慢,电解液导电率越低,电容量减少,机器可能无法正常启机。

控制芯片:低温对半导体的导电能力、极限电压电流及开关特性都有很大的影响。而一个芯片中往往包含了成千上万的晶体管及其他元器件,每一点小小的偏差累计可能造成外部特性的巨大影响。如果温度过低,往往造成芯片在额定工作电压下无法打开其内部的半导体开关,导致其不能正常工作。

3.逆变器对温度的控制?

一年有四季,有夏天的高温,也有冬天的低温,那么逆变器是如何来调节自身的温度?

■ 首先是温度检测,温度检测很简单,一般采用负温度系数的热敏电阻检测,不同温度对应不同的阻值,得到不同的电压反馈给控制芯片进行计算,得出确切的温度值。

温度检测的位置一般为:散热片温度;IGBT模块温度;机器腔体温度。

下表为标称阻值15K热敏在不同温度下的阻值变化:15k Ω @25℃;公差精度: + / -1%。

光伏逆变器

■ 其次是散热装置,常用的散热装置有散热器和风扇。

散热器:通常用铝来制作,主要因为:相较于金、银、铜而言,铝的重量轻、价格便宜而且耐腐蚀、利用加工设备可以制成各种复杂的形状。散热器散热方式为:与外壳通过较大面积直接紧密连结,元器件的热量能通过散热器直接传递到铝合金外壳上,然后散发到空气中。散热路径:器件→散热器→外壳→空气。

风扇:风扇是为了强制散热,利用空气对流,将功率元件及散热器散发出的热量带走。一般风扇转速是根据温度变化而变化的。

■ 温度控制逻辑

高温调节,以1台10KW的机器举例说明(以下数据仅供参考):

10KW机器满载输出为10KW,风扇100%转速时为3000rad/min,下图横坐标为环境温度。

1)当环境温度在35℃时,散热器温度上升,机器满载输出,风扇以50%转速转动。

2)当环境温度在45℃时,散热器温度达到功率降载阈值,机器开始降载输出9KW,风扇以100%转速转动。

3)当环境温度在60℃时,散热器温度达到保护值,机器停止发电并报过温保护,而风扇以100%转速转动。

光伏逆变器

■ 低温调节

由于机器低于温度下限值工作时并不会损坏元器件,一般低温是在达到低温保护阈值后直接保护。

可是在低温条件下当逆变器运行后,有电流流经器件时,如功率元件温度会迅速上升,产生热量提高内部腔体温度,使电容器工作温度远大于环境温度,这样可使电容维持设备运行。所以低温保护没有高温保护那么常见。

4.总结

一般机器运行后发热外壳温度在45℃ ~55℃之间,在夏天外界温度达38℃,逆变器多数情况下外壳温度在60℃左右。在低温环境下由于逆变器关键元器件都可以工作在零下25度,所以可以保证逆变器在环温-25℃以上正常工作。

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