保持太阳能逆变器的使用寿命

作者:Patrick Lewis博士生研究员和Brandon Grainger匹兹堡大学副教授,美国匹兹堡

电力部门越来越多地要求将太阳能发电系统及其它分布式发电系统并入电网的逆变器,这样能够注入无功功率,帮助维持电网稳定。然而, 产生无功功率会增大逆变器的热应力,这可能会缩短其使用寿命。匹兹堡大学研究人员使用ANSYS仿真软件,在进行原型设计之前对逆变器进行电子特性分析及热特性分析,以帮助设计人员在产品研发早期阶段做出更明智的决策。

Save PDF
solar panels

“产生无功功率,明显会增加逆变器的热负荷,缩短逆变器使用寿命。”

solar panels

美国目前安装了超过550亿瓦的太阳能,足以为1,000多万个家庭供电。[1]但是,将所有这些太阳能并入电网,具有极为显著的挑战。快速移动的云团大幅降低太阳能阵列的发电量时,传输给电网的电力可能会降低,导致电压不稳,这不仅会引起灯光闪烁,而且还会导致敏感设备停止工作。为解决这一问题,电力部门可能会要求太阳能发电厂提供无功功率,在这些扰动发生时维持或补偿电压。当电流和电压的正弦轨迹彼此反相时,就会产生无功功率。无功功率不能作为真正的电力为电气设备供电,但它能增减电网电压,帮助电网实现稳压。让逆变器产生无功功率,这样一来明显会增加逆变器的热负荷,缩短逆变器使用寿命。匹兹堡大学研究人员展示了一种预测逆变器功率电子元件温度的方法最新一代智能逆变器旨在通过各种方法为电网提供支持,例如通过无功功率补偿纠正电网扰动。

solar power inverter test circuit

使用仿真测试电路的输出验证电力电子设备的电气模型

 

“使用仿真,可优化选定用于原型设计及实体试验的案例研究。”

避免太阳能逆变器过早出现故障

执行无功补偿,会带来额外的器件损耗,会增大逆变器内每个功率半导体的平均结温和结温波动。逆变器按每秒60周的速率切换电流方向,与交流电频率保持一致。构成电力电子器件的材料每周期都会加热并冷却,在具有不同热膨胀系数的材料之间的界面上产生热应力。当热应力的量和幅度高到一定程度时,界面会出现热疲劳,导致设备故障。从概念上讲,器件故障的物理原因就如同反复弯折一根金属线一样。在这种周期性的弯折作用下,金属线最终会突然折断。对于绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块,潜在的故障点包括基板焊点或芯片焊点开裂及焊线上抬。功率电子器件的退化速度与热循环深度以及平均结温有关。

solar power

功率半导体传统上被建模成由电阻(R)和电容(C)元件并联组成的热阻抗网络,以表现通过不同材料层的热传导。热阻抗网络中的每个节点代表两种不同材料间的界面,例如硅片对器件封装、器件封装对散热器以及散热器对环境等。

这种方法的难点在于要确定每个材料层的RC常数,这需要先构建原型设计测试电路,然后进行一系列成本高昂而漫长的物理实验,才能确定功率半导体模块中每个材料层的RC常数。在设计过程中,必须构建并测试大量不同原型设计,评估不同设计备选方案。对于典型功率半导体,整个过程需要投入大量工作。

RC network

用于显示功率半导体热阻特性的RC网络

 

transient thermal impedance model

根据导入的产品说明书测量数据构建的瞬态热阻抗模型

 

 

根据产品说明书测量数据表示器件特性

匹兹堡大学研究人员用多域系统仿真(现集成在ANSYS Twin Builder内)为科锐C2M0040120D功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和英飞凌 IKW40T120 硅基IGBT研发电热器件模型。使用器件特征化仿真,无需进行原型设计和物理实验,就能观测温度动态。在按器件制造商提供的产品说明书测试电路测量数据计算RC网络参数的情况下,可以实现这一点。ANSYS提供系统级IGBT、MOSFET及二极管库,以便快速评估电路行为和控制算法。研究人员使用这两个器件模型构建仿真测试电路时,器件模型的电气性能与产品说明书提供的预计开启时间和关闭时间一致。研究人员使用器件特征化工具的器件数据扫描实用工具(在系统仿真器中提供),从器件产品说明书导入热阻抗曲线。然后系统仿真器为器件每一层自动计算热阻抗网络模型参数。

SiC MOSFET junction temperature

针对各种负载要求计算的碳化硅MOSFET的结温

 

lifetime vs junction temperature cycle

可作为结温周期函数的器件使用寿命。
SEMIKRON International GmbH供图。
1) 科锐公司,“碳化硅功率MOSFET C2M技术”,C2M0040120D产品说明书, 2015年。电子版:www.cree.com

 

研究人员随后通过评估不同设计配置,优化了无功功率性能和器件使用寿命之间的重要权衡。这些器件模型被成功地用于支持匹兹堡大学的研究工作,评估智能电网特性对电网转换器可靠性的影响。研究人员展示了准确预测这些器件电气性能和热性能的能力。他们能够量化提供给定水平无功补偿的器件的器件退化速率的提升。与常规方法相比,这可在所需的时间段内观察无功补偿性能与器件使用寿命之间的权衡取舍。

参考资料
[1] U.S. Solar Market Insight, seia.org/us-solar-market-insight (07/03/2018)

点击下方与 ANSYS 取得联系

联系我们
Contact Us
联系我们