光伏逆变器的核心器件及保护机制

光伏逆变器是光伏系统非常重要的一个设备，主要作用是把光伏组件发出来的直流电变成交流电，除此之外，逆变器还承担检测组件、电网、电缆运行状态，和外界通信交流，系统安全管家等重要功能。 在光伏行业标准NB32004-2013中，逆变器有100多个严格的技术参数，每一个参数合格才能拿到证书。国家质检总局每一年也会抽查，对光伏并网逆变器产品的保护连接、接触电流、固体绝缘的工频耐受电压、额定输入输出、转换效率、谐波和波形畸变、功率因数、直流分量、交流输出侧过/欠压保护等9个项目进行了检验。一款全新的逆变器，从开发到量产，要两年多时间才能出来，除了过欠电压保护等功能外，逆变器还有很多鲜为人知的黑科技，如漏电流控制、散热设计、电磁兼容、谐波抑制，关键器件保护，效率控制等等，需要投入大量的人力和物力去研发和测试。

本文主要介绍逆变器中的IGBT保护技术

IGBT是一种功率器件，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，对器件温度、电流、电流非常敏感，稍有超标，一言不合便炸机，而且不可修复，IGBT损坏就意味着逆变器需要更换或者大修。因此IGBT是逆变器重点保护对象。

上面是IGBT失效的三个模式，最常见的是电气故障，因为IGBT承担电流电压转换，而且频率很高，IGBT主电路过高、驱动电压过高、外界产生的尖峰电压都有可能造成过压损坏；逆变器输出过载、短路有可能导致过流。其次是温度故障，IGBT在运行过程中会产生大量的热量，这些热量如果不能及时散发出去，就有可能因为过热损坏；机械故障是有可能在生产加工和运输安装过程中，这种情况比较少见。

1、IGBT驱动保护

IGBT本身是一个电流开关的器件，什么时候开，什么时候关，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。各种方式的优缺点如下：

2、IGBT过电流/短路保护

IGBT在设计时，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、IGBT过温保护

当逆变器环境温度过高、逆变器散热不良，持续过热均会导使IGBT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、IGBT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非常有讲究，要恰到好处，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既连接牢固，又不会损坏。

结论

IGBT是逆变器中最娇气，最敏感，最容易损坏的器件；同时也是逆变器中最昂贵，最关键的器件，逆变器必须采取很多措施去保护她。