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業(yè)內(nèi)都知道光伏電站壽命要達到25年，這個“概念”。然而這個“概念”卻無法得知出處。本文將從光伏電站核心－－逆變器的可靠性設(shè)計的角度出發(fā)，去論證逆變器的壽命。
逆變器屬于電力電子產(chǎn)品，特別是組串式逆變器，我們可以把它認為是一臺電視機、一臺電冰箱。7、80年代出生人，對自己家的家用電器應(yīng)該記憶猶新。那個時代，家里的日本產(chǎn)的電視機、電冰箱都用到了21世紀初?？缍冗_到了20年，所以，一個電力電子產(chǎn)品設(shè)計和使用壽命達到20并不是一個“概念”。筆者曾經(jīng)見過SMA的sun boy 3kw逆變器用了12年，依舊嶄新。
但是上述產(chǎn)品都安裝在室內(nèi)，使用環(huán)境相當(dāng)好。
1．1 “產(chǎn)品的可靠性”學(xué)科的來歷
產(chǎn)品可靠性是一個科學(xué)體系，是一門學(xué)科。其前身是伴隨著軍工和兵器工業(yè)的發(fā)展而誕生和發(fā)展。具有代表性的事件是，德國發(fā)射的火箭不可靠及美國的航空無線電設(shè)備不能正常工作。德國使用V－2火箭襲擊倫敦，有80枚火箭沒有起飛就爆炸，還有的火箭沒有到達目的地就墜落；美國當(dāng)時的航空無線電設(shè)備有60％不能正常工作，其電子設(shè)備在規(guī)定的使用期限內(nèi)僅有30％的時間能有效工作。二戰(zhàn)期間，因可靠性引起的飛機損失慘重，損失飛機2100架，是被擊落飛機的1．5倍。
1939年瑞典人威布爾為了描述材料的疲勞強度而提出了威布爾分布，后來成為可靠性最常用的分布之一。德國的V－1火箭是第一個運用系統(tǒng)可靠性理論計算的飛行器。德國在研制V－1火箭后期，提出用串聯(lián)系統(tǒng)理論，得出火箭系統(tǒng)可靠度等于所有元器件、零部件乘積的結(jié)論。根據(jù)可選性乘積定律，計算出該火箭可靠度為0．75。而電子管的可選性太差是導(dǎo)致美國航空無線電設(shè)備可靠性問題的最大因素。于是美國在1943年成立成立電子管研究委員會，專門研究電子管的可靠性問題。
所以我們今天看到的產(chǎn)品可靠性評估報告中引用的標準都是軍用標準就不足為奇了。比如我們國家的電子產(chǎn)品評估系統(tǒng)中，引用的標準都是軍標－－GJB／Z299B－98（國軍標）；MIL－HDBK（美軍標）。
2．逆變器的主要組成和壽命
逆變器主要由印刷線路板、IGBT、直流母線電容器、液晶顯示屏幕組成。為什么這樣分類，主要是從部件壽命的角度出發(fā)。大部分的電阻、電感、電容都焊接到了印刷線路板上，所以這些元器件的可以歸為一類。IGBT是開關(guān)元器件，也是焊接在線路板上面，比較耐高溫，原則上也可以歸類于印刷線路板。母線電容的壽命與溫度和電壓有很直接的關(guān)系，所以單列出來。液晶屏幕是整個逆變器的最易損件，壽命最短，也需要單列。（很多廠家逆變器都沒有液晶顯示屏幕，就是考慮了產(chǎn)品的可靠性。）
2．1直流母線電容的壽命預(yù)計
根據(jù)NCC電容壽命計算公式：
此處：LX＝預(yù)期電容壽命（小時）
L0＝電容標稱壽命（3000小時）
T0＝電容標稱的額定工作溫度（105度）
T＝電容實際工作溫度
T＝75，為逆變器在45度環(huán)境溫度下測試的最大電容溫度；
如果一天逆變器滿載工作4小時，則電容的壽命：＝24000／4／365＝16．4年
如果一天逆變器滿載工作6小時，則電容的壽命：＝24000／6／365＝10．9年
金屬薄膜電容器具有高儲能密度、造價低、軟失效等特性，它是由兩張單面蒸涂薄金屬（鋁或鋁合金）的有機膜繞卷而成的，由于膜帶有雜質(zhì)或缺陷的區(qū)域，這些區(qū)域的耐電強度較低，形成“電弱點”。在外施電壓不斷作用下，電弱點處薄膜會先被擊穿而形成放電通道，在薄膜被擊穿的同時，電荷通過擊穿點形成大電流，引起局部高溫，擊穿點處的薄金屬層會迅速蒸發(fā)并向外擴散使絕緣恢復(fù)，這種特性即為電容器的“自愈”。電容器不斷“自愈”的結(jié)果是，電容器電容值不斷下降，當(dāng)超過初始容值的5％時，電容器容值不再滿足要求，發(fā)生退化失效。除了退化型失效外，電容器還可能被擊穿（對外呈短路狀態(tài)）該失效模式是突發(fā)型的，這種突發(fā)失效可能受電容器容值影響，電容器不斷自愈容值降低后，其被擊穿的可能性增加。
所以薄膜電容的失效或者說故障與電壓高低和使用溫度有很大的關(guān)系。
2．2 印刷線路板與IGBT
電子產(chǎn)品的失效產(chǎn)生于不良的設(shè)計、元件失效及生產(chǎn)過程工藝問題，而目前電子產(chǎn)品的組裝方式主要以表面貼裝焊接（SMT）、通孔插裝焊接（THT）或兩者的混合工藝為主要裝配形式，在組裝件的基本構(gòu)成中，元件、PCB、互連焊點三者都關(guān)聯(lián)著產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性。
目前電子產(chǎn)品的失效形式主要有兩大類。
一類是組成產(chǎn)品的元器件在一定的溫度、濕度、EOS等環(huán)境中的功能失效，導(dǎo)致整個產(chǎn)品電氣性能失效．
另一類就是在產(chǎn)品中起互聯(lián)作用的焊點失效，電子電路中電氣信號的暢通、機械連接的可靠將完全由互連焊點保障，焊點失效可能導(dǎo)致整個電子電路癱瘓。
就IBGT而言，IGBT有著比較好的高溫特性，可以看做一個開關(guān)。目前很少有聽說IBGT元器件本身失效的問題。那么這里也可以把IGBT歸為普通的元器件。
總結(jié)起來，印刷線路的失效就是元器件本身，和焊接點失效兩種。
2．3 液晶屏失效
液晶屏失效的種類可以說是五花八門。筆者見過很多故障。
首先是按鍵故障：市面上大部分的逆變器都是按鍵操作的，這種故障往往就是接觸不良，元器件接觸點老化造成的。
然后就是黑屏：黑屏故障主要是電源及背光燈驅(qū)動板故障和信號轉(zhuǎn)換及液晶驅(qū)動板故障。由于信號轉(zhuǎn)換及液晶驅(qū)動板屬小信號處理，功耗極小，因此故障率相對較低。所以黑屏故障一般主要是電源和驅(qū)動部分。
那么主要問題來了，電源和驅(qū)動板由于功耗較大如果散熱不良，線路板容易老化，同時濾波的電解電容的電解液容易被烤干。
那么綜上所述還是溫度惹的禍。
3．電子產(chǎn)品可靠性的計算方式
3．1 產(chǎn)品的可靠性的概念
逆變器的可靠性是指在規(guī)定條件下（比如：45℃），且于指定時間內(nèi)（比如：25年），能依要求發(fā)揮功能的概率。
假設(shè)開始時有1000臺逆變器安裝在一個項目上，十年后正常工作50臺則十年后的（87600小時）
可靠性R（t＝87600H）為50／100＝0．5
同理故障率為50／100＝0．5
所以逆變器的可靠性是一個隨時間變化的函數(shù)
3．2 “浴盆”曲線
因為“可靠性”或故障率”是隨時間變化的函數(shù)，曲線的形狀呈兩頭高，中間低，具有明顯的階段性，可劃分為三個階段：早期故障期，恒定故障期，嚴重故障期或者叫耗竭期。浴盆曲線是指產(chǎn)品從投入到報廢為止的整個壽命周期內(nèi)，其可靠性的變化呈現(xiàn)一定的規(guī)律。如果取產(chǎn)品的失效率作為產(chǎn)品的可靠性特征值，它是以使用時間為橫坐標，以失效率為縱坐標的一條曲線。因該曲線兩頭高，中間低，所以稱為“浴盆曲線”。如下圖
早期故障期：
往往在出廠前，通過老化測試就可以發(fā)現(xiàn)。主要原因是來料不良和焊接工藝的瑕疵引起的?；蛘哓浀浆F(xiàn)場的安裝后的很短的時間就出現(xiàn)故障。這段時間出現(xiàn)的故障就是早期故障期。
為了在出廠前及時盡快的發(fā)現(xiàn)問題，往往會對機器進行高溫烘烤－－－老化測試。電容等元器件，在出廠前會進行電壓測試，比如額定1000V的電容，一般會在2000V的電壓下保證1分鐘不擊穿。
恒定故障期：
經(jīng)過一年兩年的使用后，機器不發(fā)生故障或者故障率極低，運行的很穩(wěn)定。
耗竭期：
由于各個元器件的壽命到期，此階段故障率升高。產(chǎn)品壽命到期。
3．3 如何計算電子產(chǎn)品的可靠性
元件記數(shù)法適用于電子設(shè)備方案論證階段和初步設(shè)計階段，元器件的種類和數(shù)量大致已確定，但具體的工作應(yīng)力和環(huán)境等尚未明確時，對系統(tǒng)基本可靠性進行預(yù)計。其基本原理也是對元器件“基本故障率”的修正。GJB／Z299B－98參照MIL－HDBK－217F。
其計算步驟是：先計算設(shè)備中各種型號和各種類型的元器件數(shù)目，然后再乘以相應(yīng)型號或相應(yīng)類型元器件的基本故障率，最后把各乘積累加起來，即可得到部件、系統(tǒng)的故障率。
式中：
λp—某類元器件預(yù)計的工作故障率
λb—該類元器件的通用故障率（需查表）
πq—該類元器件的質(zhì)量等級系數(shù)（需查表）
πt—該類元器件的溫度應(yīng)力系數(shù)（需查表）
πe—該類元器件的環(huán)境系數(shù)（需查表）
舉例：
某電子設(shè)備由4個調(diào)整二極管、2個合成電阻器、4個云母電容器組成，所有器件都是國產(chǎn)的，質(zhì)量等級都是B1。設(shè)備的工作環(huán)境為室內(nèi)。計算該設(shè)備的基本可靠性。
計算步驟：
（1）國產(chǎn)器件，使用GJB／Z299B－98；
（2）確定設(shè)備的工作環(huán)境類別：A；
（3）確定元器件的種類：調(diào)整二極管、合成電阻器、云母電容器；
（4）確定元器件的質(zhì)量等級，全部為B1；
元件計數(shù)法舉例
（5）查GJB／Z299B－98中的表5．2－15、表5．2－17、表5．2－18，確定元器件的通用失效率：
調(diào)整二極管：λ1＝2．24（10－6／h）
合成電阻器：λ2＝0．05（10－6／h）
云母電容器：λ3＝0．12（10－6／h）
（6）查GJB／Z299B－98中的表5．2－24、表5．2－25，確定元器件的質(zhì)量系數(shù)：
調(diào)整二極管：πQ1＝0．6合成電阻器：πQ2＝0．6云母電容器：πQ3＝0．5
（7）確定元器件的數(shù)目：
調(diào)整二極管：4；
合成電阻器：2；
云母電容器：4；
（8）計算設(shè)備的基本可靠性：
λ設(shè)備＝N1λ1πQ1＋N2λ2πQ2＋N3λ3πQ3＝4×2．24×0．6＋2×0．05×0．6＋4×0．12×0．5＝5．676（10－6／h）
設(shè)備使用年限＝1／λ＝176180．4（h）＝20年
同樣逆變器的壽命也是如此算出，只不過逆變器的元器件非常多，不能例舉。
下圖為某型號組串逆變器在不同溫度下的使用壽命（電容、液晶屏不計算在內(nèi)）
可見，溫度越高，使用逆變器壽命越短。
小結(jié)：1．本文從可靠性研究的發(fā)展入手，闡述了該學(xué)科的嚴謹性。
2．分析介紹了影響逆變器壽命的幾塊“木板”，并通過分析闡述了溫度是影響各個部分的主要因素。3．介紹了產(chǎn)品可靠性的概念和簡單計算方法，通過圖表闡述了溫度對逆變器PCB板和元器件壽命的影響。
逆變器屬于電力電子產(chǎn)品，特別是組串式逆變器，我們可以把它認為是一臺電視機、一臺電冰箱。7、80年代出生人，對自己家的家用電器應(yīng)該記憶猶新。那個時代，家里的日本產(chǎn)的電視機、電冰箱都用到了21世紀初?？缍冗_到了20年，所以，一個電力電子產(chǎn)品設(shè)計和使用壽命達到20并不是一個“概念”。筆者曾經(jīng)見過SMA的sun boy 3kw逆變器用了12年，依舊嶄新。
但是上述產(chǎn)品都安裝在室內(nèi)，使用環(huán)境相當(dāng)好。
1．1 “產(chǎn)品的可靠性”學(xué)科的來歷
產(chǎn)品可靠性是一個科學(xué)體系，是一門學(xué)科。其前身是伴隨著軍工和兵器工業(yè)的發(fā)展而誕生和發(fā)展。具有代表性的事件是，德國發(fā)射的火箭不可靠及美國的航空無線電設(shè)備不能正常工作。德國使用V－2火箭襲擊倫敦，有80枚火箭沒有起飛就爆炸，還有的火箭沒有到達目的地就墜落；美國當(dāng)時的航空無線電設(shè)備有60％不能正常工作，其電子設(shè)備在規(guī)定的使用期限內(nèi)僅有30％的時間能有效工作。二戰(zhàn)期間，因可靠性引起的飛機損失慘重，損失飛機2100架，是被擊落飛機的1．5倍。
1939年瑞典人威布爾為了描述材料的疲勞強度而提出了威布爾分布，后來成為可靠性最常用的分布之一。德國的V－1火箭是第一個運用系統(tǒng)可靠性理論計算的飛行器。德國在研制V－1火箭后期，提出用串聯(lián)系統(tǒng)理論，得出火箭系統(tǒng)可靠度等于所有元器件、零部件乘積的結(jié)論。根據(jù)可選性乘積定律，計算出該火箭可靠度為0．75。而電子管的可選性太差是導(dǎo)致美國航空無線電設(shè)備可靠性問題的最大因素。于是美國在1943年成立成立電子管研究委員會，專門研究電子管的可靠性問題。
所以我們今天看到的產(chǎn)品可靠性評估報告中引用的標準都是軍用標準就不足為奇了。比如我們國家的電子產(chǎn)品評估系統(tǒng)中，引用的標準都是軍標－－GJB／Z299B－98（國軍標）；MIL－HDBK（美軍標）。
2．逆變器的主要組成和壽命
逆變器主要由印刷線路板、IGBT、直流母線電容器、液晶顯示屏幕組成。為什么這樣分類，主要是從部件壽命的角度出發(fā)。大部分的電阻、電感、電容都焊接到了印刷線路板上，所以這些元器件的可以歸為一類。IGBT是開關(guān)元器件，也是焊接在線路板上面，比較耐高溫，原則上也可以歸類于印刷線路板。母線電容的壽命與溫度和電壓有很直接的關(guān)系，所以單列出來。液晶屏幕是整個逆變器的最易損件，壽命最短，也需要單列。（很多廠家逆變器都沒有液晶顯示屏幕，就是考慮了產(chǎn)品的可靠性。）
2．1直流母線電容的壽命預(yù)計
根據(jù)NCC電容壽命計算公式：
此處：LX＝預(yù)期電容壽命（小時）
L0＝電容標稱壽命（3000小時）
T0＝電容標稱的額定工作溫度（105度）
T＝電容實際工作溫度
T＝75，為逆變器在45度環(huán)境溫度下測試的最大電容溫度；
如果一天逆變器滿載工作4小時，則電容的壽命：＝24000／4／365＝16．4年
如果一天逆變器滿載工作6小時，則電容的壽命：＝24000／6／365＝10．9年
金屬薄膜電容器具有高儲能密度、造價低、軟失效等特性，它是由兩張單面蒸涂薄金屬（鋁或鋁合金）的有機膜繞卷而成的，由于膜帶有雜質(zhì)或缺陷的區(qū)域，這些區(qū)域的耐電強度較低，形成“電弱點”。在外施電壓不斷作用下，電弱點處薄膜會先被擊穿而形成放電通道，在薄膜被擊穿的同時，電荷通過擊穿點形成大電流，引起局部高溫，擊穿點處的薄金屬層會迅速蒸發(fā)并向外擴散使絕緣恢復(fù)，這種特性即為電容器的“自愈”。電容器不斷“自愈”的結(jié)果是，電容器電容值不斷下降，當(dāng)超過初始容值的5％時，電容器容值不再滿足要求，發(fā)生退化失效。除了退化型失效外，電容器還可能被擊穿（對外呈短路狀態(tài)）該失效模式是突發(fā)型的，這種突發(fā)失效可能受電容器容值影響，電容器不斷自愈容值降低后，其被擊穿的可能性增加。
所以薄膜電容的失效或者說故障與電壓高低和使用溫度有很大的關(guān)系。
2．2 印刷線路板與IGBT
電子產(chǎn)品的失效產(chǎn)生于不良的設(shè)計、元件失效及生產(chǎn)過程工藝問題，而目前電子產(chǎn)品的組裝方式主要以表面貼裝焊接（SMT）、通孔插裝焊接（THT）或兩者的混合工藝為主要裝配形式，在組裝件的基本構(gòu)成中，元件、PCB、互連焊點三者都關(guān)聯(lián)著產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性。
目前電子產(chǎn)品的失效形式主要有兩大類。
一類是組成產(chǎn)品的元器件在一定的溫度、濕度、EOS等環(huán)境中的功能失效，導(dǎo)致整個產(chǎn)品電氣性能失效．
另一類就是在產(chǎn)品中起互聯(lián)作用的焊點失效，電子電路中電氣信號的暢通、機械連接的可靠將完全由互連焊點保障，焊點失效可能導(dǎo)致整個電子電路癱瘓。
就IBGT而言，IGBT有著比較好的高溫特性，可以看做一個開關(guān)。目前很少有聽說IBGT元器件本身失效的問題。那么這里也可以把IGBT歸為普通的元器件。
總結(jié)起來，印刷線路的失效就是元器件本身，和焊接點失效兩種。
2．3 液晶屏失效
液晶屏失效的種類可以說是五花八門。筆者見過很多故障。
首先是按鍵故障：市面上大部分的逆變器都是按鍵操作的，這種故障往往就是接觸不良，元器件接觸點老化造成的。
然后就是黑屏：黑屏故障主要是電源及背光燈驅(qū)動板故障和信號轉(zhuǎn)換及液晶驅(qū)動板故障。由于信號轉(zhuǎn)換及液晶驅(qū)動板屬小信號處理，功耗極小，因此故障率相對較低。所以黑屏故障一般主要是電源和驅(qū)動部分。
那么主要問題來了，電源和驅(qū)動板由于功耗較大如果散熱不良，線路板容易老化，同時濾波的電解電容的電解液容易被烤干。
那么綜上所述還是溫度惹的禍。
3．電子產(chǎn)品可靠性的計算方式
3．1 產(chǎn)品的可靠性的概念
逆變器的可靠性是指在規(guī)定條件下（比如：45℃），且于指定時間內(nèi)（比如：25年），能依要求發(fā)揮功能的概率。
假設(shè)開始時有1000臺逆變器安裝在一個項目上，十年后正常工作50臺則十年后的（87600小時）
可靠性R（t＝87600H）為50／100＝0．5
同理故障率為50／100＝0．5
所以逆變器的可靠性是一個隨時間變化的函數(shù)
3．2 “浴盆”曲線
因為“可靠性”或故障率”是隨時間變化的函數(shù)，曲線的形狀呈兩頭高，中間低，具有明顯的階段性，可劃分為三個階段：早期故障期，恒定故障期，嚴重故障期或者叫耗竭期。浴盆曲線是指產(chǎn)品從投入到報廢為止的整個壽命周期內(nèi)，其可靠性的變化呈現(xiàn)一定的規(guī)律。如果取產(chǎn)品的失效率作為產(chǎn)品的可靠性特征值，它是以使用時間為橫坐標，以失效率為縱坐標的一條曲線。因該曲線兩頭高，中間低，所以稱為“浴盆曲線”。如下圖
往往在出廠前，通過老化測試就可以發(fā)現(xiàn)。主要原因是來料不良和焊接工藝的瑕疵引起的?；蛘哓浀浆F(xiàn)場的安裝后的很短的時間就出現(xiàn)故障。這段時間出現(xiàn)的故障就是早期故障期。
為了在出廠前及時盡快的發(fā)現(xiàn)問題，往往會對機器進行高溫烘烤－－－老化測試。電容等元器件，在出廠前會進行電壓測試，比如額定1000V的電容，一般會在2000V的電壓下保證1分鐘不擊穿。
恒定故障期：
經(jīng)過一年兩年的使用后，機器不發(fā)生故障或者故障率極低，運行的很穩(wěn)定。
耗竭期：
由于各個元器件的壽命到期，此階段故障率升高。產(chǎn)品壽命到期。
3．3 如何計算電子產(chǎn)品的可靠性
元件記數(shù)法適用于電子設(shè)備方案論證階段和初步設(shè)計階段，元器件的種類和數(shù)量大致已確定，但具體的工作應(yīng)力和環(huán)境等尚未明確時，對系統(tǒng)基本可靠性進行預(yù)計。其基本原理也是對元器件“基本故障率”的修正。GJB／Z299B－98參照MIL－HDBK－217F。
其計算步驟是：先計算設(shè)備中各種型號和各種類型的元器件數(shù)目，然后再乘以相應(yīng)型號或相應(yīng)類型元器件的基本故障率，最后把各乘積累加起來，即可得到部件、系統(tǒng)的故障率。
λp—某類元器件預(yù)計的工作故障率
λb—該類元器件的通用故障率（需查表）
πq—該類元器件的質(zhì)量等級系數(shù)（需查表）
πt—該類元器件的溫度應(yīng)力系數(shù)（需查表）
πe—該類元器件的環(huán)境系數(shù)（需查表）
舉例：
某電子設(shè)備由4個調(diào)整二極管、2個合成電阻器、4個云母電容器組成，所有器件都是國產(chǎn)的，質(zhì)量等級都是B1。設(shè)備的工作環(huán)境為室內(nèi)。計算該設(shè)備的基本可靠性。
計算步驟：
（1）國產(chǎn)器件，使用GJB／Z299B－98；
（2）確定設(shè)備的工作環(huán)境類別：A；
（3）確定元器件的種類：調(diào)整二極管、合成電阻器、云母電容器；
（4）確定元器件的質(zhì)量等級，全部為B1；
元件計數(shù)法舉例
（5）查GJB／Z299B－98中的表5．2－15、表5．2－17、表5．2－18，確定元器件的通用失效率：
調(diào)整二極管：λ1＝2．24（10－6／h）
合成電阻器：λ2＝0．05（10－6／h）
云母電容器：λ3＝0．12（10－6／h）
（6）查GJB／Z299B－98中的表5．2－24、表5．2－25，確定元器件的質(zhì)量系數(shù)：
調(diào)整二極管：πQ1＝0．6合成電阻器：πQ2＝0．6云母電容器：πQ3＝0．5
（7）確定元器件的數(shù)目：
調(diào)整二極管：4；
合成電阻器：2；
云母電容器：4；
（8）計算設(shè)備的基本可靠性：
λ設(shè)備＝N1λ1πQ1＋N2λ2πQ2＋N3λ3πQ3＝4×2．24×0．6＋2×0．05×0．6＋4×0．12×0．5＝5．676（10－6／h）
設(shè)備使用年限＝1／λ＝176180．4（h）＝20年
同樣逆變器的壽命也是如此算出，只不過逆變器的元器件非常多，不能例舉。
可見，溫度越高，使用逆變器壽命越短。
小結(jié)：1．本文從可靠性研究的發(fā)展入手，闡述了該學(xué)科的嚴謹性。
2．分析介紹了影響逆變器壽命的幾塊“木板”，并通過分析闡述了溫度是影響各個部分的主要因素。3．介紹了產(chǎn)品可靠性的概念和簡單計算方法，通過圖表闡述了溫度對逆變器PCB板和元器件壽命的影響。
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