工程师研发日记：光伏逆变器可靠性设计

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光伏逆变器由电阻、电容、继电器、接插件、半导体器件及集成电路等元器件组成的。系统的可靠性除取决于这些电子元器件的固有可靠性外，还与设计时元器件能否合理选用有关。

元器件的选用要遵循下述原则：

1）在元器件型号、规格众多的情况下，应根据产品要实现的功能要求及环境条件，选用相应种类、型号规格及质量等级的元器件。

2）估算元器件使用时的应力情况，确定元器件的极限值，按降额设计技术，选用元器件。

3）根据产品要求的可靠性等级，选用与其适应的、符合生产许可证审查要求的A，B，C 级元器件。

4）设计产品时，尽量选用标准元器件，并使品种简化，这是大型电子系统设计的一个重要原则，也是系统总体对部件及线路设计者提出的约束条件。

5）对非标准的元器件要进行严格的验证，使用时要经过批准手续。

6）制定元器件选用手册，规范元器件的选用和采购。

降额设计的依据

所谓降额设计，就是使元器件运用于比额定值低的应力状态的一种设计技术。为了提高元器件的使用可靠性以及延长产品的寿命，必须有意识地降低施加在器件上的工作应力（如：电、热、机械应力等），降额的条件及降额的量值必须综合确定，以保证电路既能可靠性地工作，又能保持其所需的性能。降额的措施也随元器件类型的不同而有不同的规定，如电阻降额是降低其使用功率与额定功率之比；电容降额是使工作电压低于额定电压；半导体分立器件降额是使功耗低于额定值；接触元件则必须降低张力、扭力、温度和降低其它与特殊应用有关的限制。

降额的等级分为三个等级，分别称I 级降额、II 级降额和III 级降额。

I 级降额是最大降额，超过它的更大降额，元器件的可靠性增长有限，而且使设计难以实现。I 级降额适用于下述情况：设备的失效将严重危害人员的生命安全，可能造成重大的经济损失，导致工作任务的失败，失败后无法维修或维修在经济上不合算等。

II 级降额指元器件在该范围内降额时，设备的可靠性增长是急剧的，且设备设计较I 级降额易于实现。II 级降额适用于设备的失效会使工作水平降级或需支付不合理的维修费用等场合。

III 级降额指元器件在该范围内降额时设备的可靠性增长效益最大，且在设备设计上实现困难最小，它适用于设备的失效对工作任务的完成影响小，不危及工作任务的完成或可迅速修复的情况。

降额应注意的问题

1）有些元器件的负荷应力是不能降额或者对最大降额有限制的，如电子管的灯丝电压、继电器线包的吸合电流是不能降额的，否则电子管的寿命要降低；

2）有些元器件降额到一定程度时却得不到预期的降额效果。如薄膜电阻器的功率减额到10%以下时，一般二极管的反向电压减额到最大反向电压的60%以下时，失效率将不再下降；

3）有些类型电容器的降额可能发生低电平失效，即当电容器两端电压过低时呈现开路失效，也就是说，降额不但不能使失效率下降，反而会使失效率增高。

降额系数的选择大部分是依靠试验数据和根据元器件使用的环境因子来确定。确定降额系数的方法如下：

1）数学模型及基本失效率与温度、降额系数之间的关系曲线；

2）减额曲线给出了为保证元器件可靠工作所选择的降额系数与温度之间的函数关系，当在该减额曲线上工作的半导体结温达到其最高结温时，其失效率仍然较高；

3）应用减额图，即在减额曲线的下方，通过试验找到一条半导体结温较低的减额曲线；

4）各种元器件的减额因子参见国家标准。