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【讨论】探寻影响正弦波逆变器可靠性问题

在此版中,有一大批高手如:xzszrslaoshou_2005、正弦芯做出了非常多的正弦波逆变器,做的非常漂亮、有如艺术品的味道,在这些高手的影响下,该版涌现出了一批又一批为做正弦机器前仆后继的爱好者和专业人员。本人也是其中之一,无奈技术水平怎么样都无法匹及这些前辈们。

做过很多正弦波机器,发现一个在实际中非常难以解决的工程问题,就是本文要讨论的这个话题:正弦波逆变器的可靠性问题。

大家知道,正弦波逆变器这种电源,要应对的负载是相当复杂,这个复杂程度已经远远超过了现有的一般情况下的开关电源类产品。比如负载情况是一个感性负载,或是容性负载,正弦波逆变器在这个功率范围内要能够给这些负载提供可靠的启动和运转电能,这就给我们设计正弦波逆变器带来了相当高的挑战。

比如,一个1000W的正弦波逆变器,一个1000W太阳灯,这个逆变器要带动这个1000W的太阳灯,大家知道,1000W太阳灯冷态电阻非常低,只有3-5欧姆。这么小的负载阻抗,从逆变器输出220V,这个时候的冲击功率可想而知!如果逆变器为高频方式的DC-ACTOP,内部的功率器件要留有非常大的余量空间,才不至于在这种冲击下,很快失效。但是这样的做法通常是不合适的,因为高压MOS电流大一点,价格成倍的上升,在做产品并不合适。而且就算是能大容量的功率元件,在这种电流冲击下,也难保万无一失。

 

如果有一种办法,可以解决这个问题,那将是大大加强了机器的可靠性。逆变器只有通过苛刻的测试,才能在客户手中放心使用,特别是光伏上应用的产品,对可靠性要求更高。

欢迎大家继续补充机器的失效机制,以及在此失效情况下可能发生的故障。因为只有深层次的了解了失效机制,才有可能对于这些问题做好工程设计,才能提高机器的可靠性。

 

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2010-12-14 17:38
沙发 沙发!~
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fly
LV.9
3
2010-12-14 17:44

认真听讲

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2010-12-14 17:54

帮你顶一个,期待高人来讲解

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lab2010
LV.4
5
2010-12-14 17:55
题目不错,顶起来,别沉了!
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2010-12-14 17:55
@心中有冰
帮你顶一个,期待高人来讲解
天哪,冰版大人出现了,冰版过来也给我们上上课啊,就这样一句太不够啦!呵呵!
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2010-12-14 19:49
@lizlk
天哪,冰版大人出现了,冰版过来也给我们上上课啊,就这样一句太不够啦!呵呵!

兄弟客气了,逆变器我是门外汉,连小学生都不如,进来听课!

你这这个方面的行家,向你学习.

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qghqgh
LV.6
8
2010-12-14 20:06
@lab2010
题目不错,顶起来,别沉了!

个人潜水很久了,也发表一下自已的看法,首要的一点是保证在大电流时布线一定要没有干扰到驱动信号,其次还是驱动,后级可以用IGBT单管,电压一般600V的也有几十安的管子,我曾用过英飞凌的.单管最高有83A.价格也才二十几块钱.其次在接收到错误信号时是否可以采用慢降栅压技术来控制故障电流的下降速率,这样对功率器件保护可能更好.

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qghqgh
LV.6
9
2010-12-14 20:14
@qghqgh
个人潜水很久了,也发表一下自已的看法,首要的一点是保证在大电流时布线一定要没有干扰到驱动信号,其次还是驱动,后级可以用IGBT单管,电压一般600V的也有几十安的管子,我曾用过英飞凌的.单管最高有83A.价格也才二十几块钱.其次在接收到错误信号时是否可以采用慢降栅压技术来控制故障电流的下降速率,这样对功率器件保护可能更好.
我见过一些德国的产品上驱动并不是用光耦或者是专用ic来做的,而是一些小变压器,是否可以有高手讲一下变压器具体的设计方面的要点呢?
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2010-12-14 20:24

师傅啊,这个话题开得不错,逆变器要做到耐得住冲击又不挂,就OK了。

    我的1000W机子,用的是带抑流方式的过载保护电路,遇到冲击时,先限止H桥的电流,这样启动冲击性负载就好很多,1000W的机子,可以轻易启动1000W的冷灯管,还启动过我的一台960W的台钻,一个大功率的电磨,我的一位朋友还把一台空气压缩机接上去,保险丝烧了,但H桥的管子没有烧。但这个电路,在真正短路时的可靠性不高,真正短路时,也有几次要挂的。

    我的2400W机子,用的是常规的保护电路,但启动不了1000W的冷灯管,一接上去,保护电路就动作了。

    所以,我想,要对我的1000W的保护电路进行完善,让它短路时不挂,这是我明年要做的工作,哈哈。

 

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2010-12-14 20:40
@qghqgh
我见过一些德国的产品上驱动并不是用光耦或者是专用ic来做的,而是一些小变压器,是否可以有高手讲一下变压器具体的设计方面的要点呢?

你说得有理,用变压器驱动,是最简单的,不要用隔离电源,变压器本身可以隔离,如果H桥也用变压器来驱动,不知道要简单多少,什么250啊2110啊,全部靠边了。

但现在变压器驱动有一个问题----驱动波形做不好,如果要把波形做好了,辅助电路就不简单了。所以我想,能不能有机会拆一个老外的驱动变压器,看看他们倒底有些什么技巧?

 

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2010-12-15 08:50

        来晚了,在座的都是高手,牛人,也发表一点拙见。我觉得世界是矛盾的,人也是矛盾的,矛盾中同时又是和谐的统一.。在我们国家古代讲究的是一种阴阳平衡,中庸之道。现在又倡导和谐社会,逆变器的保护也是如此啊。

       保护速度太快,逆变器是可靠了,但是会带不起冲击性负载。生活中的冲击性负载无处不在啊,冰箱空调,电视电脑,就连个白炽灯泡都不是恒电流启动的啊,只有电炉子对逆变器的冲击比较小,但是又有多少人会用正弦波逆变器来烧电炉子呢?

        再说,就是我们把逆变器做成充电器那样稳压恒流的,就是超出了额定电流就处于限流状态,按理说这种保护算是比较理想了,是否就百利而无一害呢?显然不是的,逆变器极有可能还带着其他的电器,要命的是不能断电的,如电脑,或者是不能断电后立即重启的,如冰箱。这下问题就来了,逆变器本来是带着不能断电和不能断电后立即重启的负载的,你插上一个冲击性负载后电流被限制,电压拉低一段时间才回到正常,结果电脑死机了,冰箱起不动了。

        总结,在这些诸多的矛盾和不和谐的因素中我们需要追求一种折中,一种平衡,一种和谐。

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2010-12-15 08:55

首先感谢大家的来捧场!

我们最关心的是逆变器的负载能力问题,很多逆变器标称功率是很大,可是却带不了一些常规的负载,比如一个1KW的机器,要带动1KW的冷灯,逆变器做的好一点就保护了,如果保护不到位,就立即炸机。客户拿在手里有可能会说,哎,一个1kw的机器,连一个1kw的灯都带不起,功率不够啊。

这样就牵涉了2个问题,第一个,是短路保护,第二个是。

短路保护如果太灵敏,碰到一些阻抗很小的负载,如上面说的1KW冷灯,短路保护会立即保护机器,关闭输出,这样可以做到不炸机,可是机器的功率却没有输出来,这样的机器是不行的。

抗瞬间冲击性能,这一点和短路保护密切相关,如果改变短路保护的阀值,这样可以改变冲击性能,在一定的范围内,可以做到短时间内不炸机,而且能够经得起一定的冲击,因为检测保护电流变大了,这样实际上以牺牲MOSFET/IGBT寿命来换取冲击功率来做到,每次启动这些负载,功率器件就要经过严重的电流冲击,时间一久,机器必烧。

 

 

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2010-12-15 08:56
@心中有冰
兄弟客气了,逆变器我是门外汉,连小学生都不如,进来听课!你这这个方面的行家,向你学习.[图片]
大家相互学习!
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2010-12-15 09:00
@qghqgh
个人潜水很久了,也发表一下自已的看法,首要的一点是保证在大电流时布线一定要没有干扰到驱动信号,其次还是驱动,后级可以用IGBT单管,电压一般600V的也有几十安的管子,我曾用过英飞凌的.单管最高有83A.价格也才二十几块钱.其次在接收到错误信号时是否可以采用慢降栅压技术来控制故障电流的下降速率,这样对功率器件保护可能更好.
这是个好办法,可靠的慢降栅压技术是防止烧管的最好的办法,尤其是IGBT,虽然电流电压容量极高,可是非常脆弱,很轻微的一点故障就会炸管。IGBT单管逆变感觉太难搞了。
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2010-12-15 09:01
@lizlk
首先感谢大家的来捧场!我们最关心的是逆变器的负载能力问题,很多逆变器标称功率是很大,可是却带不了一些常规的负载,比如一个1KW的机器,要带动1KW的冷灯,逆变器做的好一点就保护了,如果保护不到位,就立即炸机。客户拿在手里有可能会说,哎,一个1kw的机器,连一个1kw的灯都带不起,功率不够啊。这样就牵涉了2个问题,第一个,是短路保护,第二个是。短路保护如果太灵敏,碰到一些阻抗很小的负载,如上面说的1KW冷灯,短路保护会立即保护机器,关闭输出,这样可以做到不炸机,可是机器的功率却没有输出来,这样的机器是不行的。抗瞬间冲击性能,这一点和短路保护密切相关,如果改变短路保护的阀值,这样可以改变冲击性能,在一定的范围内,可以做到短时间内不炸机,而且能够经得起一定的冲击,因为检测保护电流变大了,这样实际上以牺牲MOSFET/IGBT寿命来换取冲击功率来做到,每次启动这些负载,功率器件就要经过严重的电流冲击,时间一久,机器必烧。  
我觉得最重要的一点就是要熟读我们所用的功率器件的安全区域曲线,我们的过流保护最少做到3级保护,第一级为短路保护,第二三级为过流保护,每一级的在各自的时间段内的阈值都没有超出安全区域也没有留太大的余量。显然我们一般做的两级保护还是不够的。
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2010-12-15 09:04
@萧山老寿
你说得有理,用变压器驱动,是最简单的,不要用隔离电源,变压器本身可以隔离,如果H桥也用变压器来驱动,不知道要简单多少,什么250啊2110啊,全部靠边了。但现在变压器驱动有一个问题----驱动波形做不好,如果要把波形做好了,辅助电路就不简单了。所以我想,能不能有机会拆一个老外的驱动变压器,看看他们倒底有些什么技巧? 
驱动变压器直接驱动功率元件的我没有见过国外的一些产品,我见过的都是变压器隔离,变压器的功能是传递驱动电源的能量,和驱动信号,次级测是通过电路解调出信号和驱动电源,使之2者分离,电路相当复杂,还是专用芯片,看了就算有电路都仿制不了,没有深入研究了。
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2010-12-15 09:07
@xzszrs
我觉得最重要的一点就是要熟读我们所用的功率器件的安全区域曲线,我们的过流保护最少做到3级保护,第一级为短路保护,第二三级为过流保护,每一级的在各自的时间段内的阈值都没有超出安全区域也没有留太大的余量。显然我们一般做的两级保护还是不够的。
呵呵,看到钟工的3级保护,想起了当时见到的一款ST的IGBT驱动芯片,忘记什么型号了,它的保护非常特别,就是您说的这种 级关闭,记得好像是二级关闭,和一般的慢降删压不同,但是同样做短路/过流保护。
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2010-12-15 09:10
@lizlk
呵呵,看到钟工的3级保护,想起了当时见到的一款ST的IGBT驱动芯片,忘记什么型号了,它的保护非常特别,就是您说的这种级关闭,记得好像是二级关闭,和一般的慢降删压不同,但是同样做短路/过流保护。

我的三级保护就是秒级别的保护,毫秒级别的保护,微秒级别的保护。

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2010-12-15 09:11
@萧山老寿
师傅啊,这个话题开得不错,逆变器要做到耐得住冲击又不挂,就OK了。   我的1000W机子,用的是带抑流方式的过载保护电路,遇到冲击时,先限止H桥的电流,这样启动冲击性负载就好很多,1000W的机子,可以轻易启动1000W的冷灯管,还启动过我的一台960W的台钻,一个大功率的电磨,我的一位朋友还把一台空气压缩机接上去,保险丝烧了,但H桥的管子没有烧。但这个电路,在真正短路时的可靠性不高,真正短路时,也有几次要挂的。   我的2400W机子,用的是常规的保护电路,但启动不了1000W的冷灯管,一接上去,保护电路就动作了。   所以,我想,要对我的1000W的保护电路进行完善,让它短路时不挂,这是我明年要做的工作,哈哈。 

2400W机子,启动不了1000W的冷灯管??

这种问题就是短路保护制约了功率输出了,要做到能够顺利启动灯管,还要短路保护工作可靠,还要不烧管,有很多工作要做啊,非常期待老寿先生明年完成这部分的工作,那将是一次技术突破。

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2010-12-15 09:18
@xzszrs
       来晚了,在座的都是高手,牛人,也发表一点拙见。我觉得世界是矛盾的,人也是矛盾的,矛盾中同时又是和谐的统一.。在我们国家古代讲究的是一种阴阳平衡,中庸之道。现在又倡导和谐社会,逆变器的保护也是如此啊。      保护速度太快,逆变器是可靠了,但是会带不起冲击性负载。生活中的冲击性负载无处不在啊,冰箱空调,电视电脑,就连个白炽灯泡都不是恒电流启动的啊,只有电炉子对逆变器的冲击比较小,但是又有多少人会用正弦波逆变器来烧电炉子呢?       再说,就是我们把逆变器做成充电器那样稳压恒流的,就是超出了额定电流就处于限流状态,按理说这种保护算是比较理想了,是否就百利而无一害呢?显然不是的,逆变器极有可能还带着其他的电器,要命的是不能断电的,如电脑,或者是不能断电后立即重启的,如冰箱。这下问题就来了,逆变器本来是带着不能断电和不能断电后立即重启的负载的,你插上一个冲击性负载后电流被限制,电压拉低一段时间才回到正常,结果电脑死机了,冰箱起不动了。       总结,在这些诸多的矛盾和不和谐的因素中我们需要追求一种折中,一种平衡,一种和谐。

其实电炉子远远没有太阳灯的冲击功率大,在我进行的所有实验中,太阳灯的冲击是最大最大的,远远超过空调之类的感性负载。空调这种东西在一个交流周期就能过去,太阳灯,几个周期都还是那样。

做一般的通用型逆变器,要求我认为不会很高,如果碰到光伏应用,那种情况负杂多了,难怪现在行业内一做就是IPM,IGBT模块之类的东西上去,模块里面的芯片那么大比同样大小容量的单管芯片大了3、4倍,考虑的就是负载的复杂性。

   我认为3KW以下完全可以用单管这样来做,如果要把可靠性做到和IPM\模块一样高,就是楼上的高手们要花心思的啊。为这个问题,我试验了好多好多,炸了好多管子啦,呵呵。

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qghqgh
LV.6
22
2010-12-15 09:31
@xzszrs
我的三级保护就是秒级别的保护,毫秒级别的保护,微秒级别的保护。
请教慢降栅压技术目前都是利用单片机来处理实现的吧?有没有用硬件实现的?
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2010-12-15 09:44
@qghqgh
请教慢降栅压技术目前都是利用单片机来处理实现的吧?有没有用硬件实现的?
单片机做不来这个技术的。
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2010-12-15 09:46
@qghqgh
请教慢降栅压技术目前都是利用单片机来处理实现的吧?有没有用硬件实现的?

不是的,IGBT慢降栅压技术以硬件为主的。下面这个电路选自本人在第十四届技术交流大会上的演讲资料《逆变电源设计概要》

 

 

 

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2010-12-15 09:49
@xzszrs
不是的,IGBT慢降栅压技术以硬件为主的。下面这个电路选自本人在第十四届技术交流大会上的演讲资料《逆变电源设计概要》 [图片]  
钟工发图了,那就请钟工以一个实际电路参数,配合一个实际的IGBT原件来给我们上课啊!帮顶!
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qghqgh
LV.6
26
2010-12-15 10:06
@lizlk
钟工发图了,那就请钟工以一个实际电路参数,配合一个实际的IGBT原件来给我们上课啊!帮顶!

虽然我也想,但不要将钟工的军,呵呵,可能人家也有难处。

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2010-12-15 10:09
@qghqgh
虽然我也想,但不要将钟工的军,呵呵,可能人家也有难处。
呵呵,那就等钟工在不忙的时候,合适的时候,再公布!
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2010-12-15 11:05
@qghqgh
虽然我也想,但不要将钟工的军,呵呵,可能人家也有难处。

电路都发了,参数是要根据不同的IGBT调整的,只要理解了电路的原理就可以设计出适应任何IGBT的电路参数了,具体原理可以下载我的演讲资料看下啊。

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2010-12-15 11:32
@xzszrs
电路都发了,参数是要根据不同的IGBT调整的,只要理解了电路的原理就可以设计出适应任何IGBT的电路参数了,具体原理可以下载我的演讲资料看下啊。

上图中电路正常工作时,ZD1的负端的电位因D2的导通而使ZD1不足以导通,Q1,截止;D1的负端为高电平所以Q3也截止。C1未充电,两端的电位为0IGBTQ3短路后退出饱和状态,集电极电位迅速上升,D2由导通转向截止。当驱动信号为高电平时,ZD1被击穿,C2能够使Q1的开通有一小段的延时,使得Q3导通时可以有一小段的下降时间,避免了正常工作时保护电路的误保护。ZD1被击穿后Q1由于C2的存在经过一段很短的时间后延时导通,C1开始通过R4,Q1充电,D1的负端电位开始下降,当D1的负端电位开始下降到D1Q3be结的压降之和时Q3开始导通,Q2,Q4基极电位开始下降,Q3的栅极电压也开始下降。当C1充电到ZD2的击穿电压时ZD2被击穿,C1停止充电,降栅压的过程也结束,栅极电压被钳位在一个固定的电平上。Q3的集电极电流也被降低到一个固定的水平上。

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2010-12-15 15:44
@xzszrs
上图中电路正常工作时,ZD1的负端的电位因D2的导通而使ZD1不足以导通,Q1,截止;D1的负端为高电平所以Q3也截止。C1未充电,两端的电位为0。IGBTQ3短路后退出饱和状态,集电极电位迅速上升,D2由导通转向截止。当驱动信号为高电平时,ZD1被击穿,C2能够使Q1的开通有一小段的延时,使得Q3导通时可以有一小段的下降时间,避免了正常工作时保护电路的误保护。ZD1被击穿后Q1由于C2的存在经过一段很短的时间后延时导通,C1开始通过R4,Q1充电,D1的负端电位开始下降,当D1的负端电位开始下降到D1与Q3be结的压降之和时Q3开始导通,Q2,Q4基极电位开始下降,Q3的栅极电压也开始下降。当C1充电到ZD2的击穿电压时ZD2被击穿,C1停止充电,降栅压的过程也结束,栅极电压被钳位在一个固定的电平上。Q3的集电极电流也被降低到一个固定的水平上。
精辟!顶了!
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35956911
LV.8
31
2010-12-15 17:05
@萧山老寿
师傅啊,这个话题开得不错,逆变器要做到耐得住冲击又不挂,就OK了。   我的1000W机子,用的是带抑流方式的过载保护电路,遇到冲击时,先限止H桥的电流,这样启动冲击性负载就好很多,1000W的机子,可以轻易启动1000W的冷灯管,还启动过我的一台960W的台钻,一个大功率的电磨,我的一位朋友还把一台空气压缩机接上去,保险丝烧了,但H桥的管子没有烧。但这个电路,在真正短路时的可靠性不高,真正短路时,也有几次要挂的。   我的2400W机子,用的是常规的保护电路,但启动不了1000W的冷灯管,一接上去,保护电路就动作了。   所以,我想,要对我的1000W的保护电路进行完善,让它短路时不挂,这是我明年要做的工作,哈哈。 
支持,我手头有板还有你1000W的3套,需要时PM我,你那一套给回你!
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