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業(yè)內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該記憶猶新。那個時代，家里的日本產的電視機、電冰箱都用到了21世紀初。跨度達到了20年，所以，一個電力電子產品設計和使用壽命達到20并不是一個“概念”。筆者曾經見過SMA的sun boy 3kw逆變器用了12年，依舊嶄新。
但是上述產品都安裝在室內，使用環(huán)境相當好。
1．1 “產品的可靠性”學科的來歷
產品可靠性是一個科學體系，是一門學科。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；美國當時的航空無線電設備有60％不能正常工作，其電子設備在規(guī)定的使用期限內僅有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、零部件乘積的結論。根據可選性乘積定律，計算出該火箭可靠度為0．75。而電子管的可選性太差是導致美國航空無線電設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，就是考慮了產品的可靠性。）
2．1直流母線電容的壽命預計
根據NCC電容壽命計算公式：
此處：LX＝預期電容壽命（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，這種特性即為電容器的“自愈”。電容器不斷“自愈”的結果是，電容器電容值不斷下降，當超過初始容值的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系。
2．2 印刷線路板與IGBT
電子產品的失效產生于不良的設計、元件失效及生產過程工藝問題，而目前電子產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，在組裝件的基本構成中，元件、PCB、互連焊點三者都關聯(lián)著產品的質量與可靠性。
目前電子產品的失效形式主要有兩大類。
一類是組成產品的元器件在一定的溫度、濕度、EOS等環(huán)境中的功能失效，導致整個產品電氣性能失效．
另一類就是在產品中起互聯(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。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動板故障和信號轉換及液晶驅動板故障。由于信號轉換及液晶驅動板屬小信號處理，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動部分。
那么主要問題來了，電源和驅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．電子產品可靠性的計算方式
3．1 產品的可靠性的概念
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（比如：25年），能依要求發(fā)揮功能的概率。
假設開始時有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。浴盆曲線是指產品從投入到報廢為止的整個壽命周期內，其可靠性的變化呈現(xiàn)一定的規(guī)律。如果取產品的失效率作為產品的可靠性特征值，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。產品壽命到期。
3．3 如何計算電子產品的可靠性
元件記數(shù)法適用于電子設備方案論證階段和初步設計階段，元器件的種類和數(shù)量大致已確定，但具體的工作應力和環(huán)境等尚未明確時，對系統(tǒng)基本可靠性進行預計。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，然后再乘以相應型號或相應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—該類元器件的質量等級系數(shù)（需查表）
πt—該類元器件的溫度應力系數(shù)（需查表）
πe—該類元器件的環(huán)境系數(shù)（需查表）
舉例：
某電子設備由4個調整二極管、2個合成電阻器、4個云母電容器組成，所有器件都是國產的，質量等級都是B1。設備的工作環(huán)境為室內。計算該設備的基本可靠性。
計算步驟：
（1）國產器件，使用GJB／Z299B－98；
（2）確定設備的工作環(huán)境類別：A；
（3）確定元器件的種類：調整二極管、合成電阻器、云母電容器；
（4）確定元器件的質量等級，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，確定元器件的質量系數(shù)：
調整二極管：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：
調整二極管：4；
合成電阻器：2；
云母電容器：4；
（8）計算設備的基本可靠性：
λ設備＝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）
可見，溫度越高，使用逆變器壽命越短。
小結：1．本文從可靠性研究的發(fā)展入手，闡述了該學科的嚴謹性。
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該記憶猶新。那個時代，家里的日本產的電視機、電冰箱都用到了21世紀初。跨度達到了20年，所以，一個電力電子產品設計和使用壽命達到20并不是一個“概念”。筆者曾經見過SMA的sun boy 3kw逆變器用了12年，依舊嶄新。
但是上述產品都安裝在室內，使用環(huán)境相當好。
1．1 “產品的可靠性”學科的來歷
產品可靠性是一個科學體系，是一門學科。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；美國當時的航空無線電設備有60％不能正常工作，其電子設備在規(guī)定的使用期限內僅有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、零部件乘積的結論。根據可選性乘積定律，計算出該火箭可靠度為0．75。而電子管的可選性太差是導致美國航空無線電設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，就是考慮了產品的可靠性。）
2．1直流母線電容的壽命預計
根據NCC電容壽命計算公式：
此處：LX＝預期電容壽命（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，這種特性即為電容器的“自愈”。電容器不斷“自愈”的結果是，電容器電容值不斷下降，當超過初始容值的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系。
2．2 印刷線路板與IGBT
電子產品的失效產生于不良的設計、元件失效及生產過程工藝問題，而目前電子產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，在組裝件的基本構成中，元件、PCB、互連焊點三者都關聯(lián)著產品的質量與可靠性。
目前電子產品的失效形式主要有兩大類。
一類是組成產品的元器件在一定的溫度、濕度、EOS等環(huán)境中的功能失效，導致整個產品電氣性能失效．
另一類就是在產品中起互聯(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。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動板故障和信號轉換及液晶驅動板故障。由于信號轉換及液晶驅動板屬小信號處理，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動部分。
那么主要問題來了，電源和驅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．電子產品可靠性的計算方式
3．1 產品的可靠性的概念
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（比如：25年），能依要求發(fā)揮功能的概率。
假設開始時有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。浴盆曲線是指產品從投入到報廢為止的整個壽命周期內，其可靠性的變化呈現(xiàn)一定的規(guī)律。如果取產品的失效率作為產品的可靠性特征值，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。產品壽命到期。
3．3 如何計算電子產品的可靠性
元件記數(shù)法適用于電子設備方案論證階段和初步設計階段，元器件的種類和數(shù)量大致已確定，但具體的工作應力和環(huán)境等尚未明確時，對系統(tǒng)基本可靠性進行預計。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，然后再乘以相應型號或相應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—該類元器件的質量等級系數(shù)（需查表）
πt—該類元器件的溫度應力系數(shù)（需查表）
πe—該類元器件的環(huán)境系數(shù)（需查表）
舉例：
某電子設備由4個調整二極管、2個合成電阻器、4個云母電容器組成，所有器件都是國產的，質量等級都是B1。設備的工作環(huán)境為室內。計算該設備的基本可靠性。
計算步驟：
（1）國產器件，使用GJB／Z299B－98；
（2）確定設備的工作環(huán)境類別：A；
（3）確定元器件的種類：調整二極管、合成電阻器、云母電容器；
（4）確定元器件的質量等級，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，確定元器件的質量系數(shù)：
調整二極管：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：
調整二極管：4；
合成電阻器：2；
云母電容器：4；
（8）計算設備的基本可靠性：
λ設備＝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：1．本文從可靠性研究的發(fā)展入手，闡述了該學科的嚴謹性。
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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