光伏逆变器与环境温度的关系

2018-12-18

1. 对比大部分户用光伏逆变器的产品规格书，会发现逆变器的工作温度范围都为-25至+60℃，为什么温度会选择在这个范围呢?

■ 首先安规要求逆变器外壳温度不能超过70℃，避免人体误碰触出现烫伤。

■ 其次这个温度范围满足全球绝大部分区域的环境温度要求。

■ 环境温度过高或过低都会影响逆变器寿命和工作稳定性。

2.环境温度过高或过低对逆变器的影响?

首先我们看下逆变器里关键元器件的工作温度：(如下表)

■环境温度过高

温度过高会降低元器件性能和寿命 ，例如：

电感：高温时电感容易饱和，饱和时电感量会减得很小，工作电流峰值会变得很大，功率元件会过流损坏。

电解电容：对于电解电容来说，环境温度每升高10℃，化学反应速率将增大2-10倍，即电容工作温度每升高10℃，电容寿命减少一半，而电容寿命经常被用来计算整机的使用寿命。

功率模块：随着环境温度的升高，功率模块工作时的芯片结温也持续升高，让模块承受很高的热应力，大大缩短使用寿命，一旦温度超过结温极限值，就会导致模块热击穿。所以设计中有一条规则显示模块在65℃以上的环境下工作时，温度每上升10℃，故障率便增加一倍。

　　▲3种不同额定温度电容使用寿命和环境温度的关系

　　▲功率模块在高温(红色)与低温(蓝色)的开关功率损耗对比

■ 环境温度过低

低温对逆变器的影响相较于高温要小，低温影响较大的元器件是电解电容和控制芯片。

电解电容：电解电容器的在低温工作时，其ESR则会增加10倍以上。额定温度-20 ℃或-40 ℃的器件其ESR将会增加更多，例如-40 ℃的器件其ESR将会增加100多倍。这样温度越低电解液离子迁移速度越慢，电解液导电率越低，电容量减少，机器可能无法正常启机。

控制芯片：低温对半导体的导电能力、极限电压电流及开关特性都有很大的影响。而一个芯片中往往包含了成千上万的晶体管及其他元器件，每一点小小的偏差累计可能造成外部特性的巨大影响。如果温度过低，往往造成芯片在额定工作电压下无法打开其内部的半导体开关，导致其不能正常工作。

3.逆变器对温度的控制?

一年有四季，有夏天的高温，也有冬天的低温，那么逆变器是如何来调节自身的温度?

■ 首先是温度检测，温度检测很简单，一般采用负温度系数的热敏电阻检测，不同温度对应不同的阻值，得到不同的电压反馈给控制芯片进行计算，得出确切的温度值。

温度检测的位置一般为：散热片温度;IGBT模块温度;机器腔体温度。

下表为标称阻值15K热敏在不同温度下的阻值变化：15k Ω @25℃;公差精度： + / -1%。

■ 其次是散热装置，常用的散热装置有散热器和风扇。

散热器：通常用铝来制作，主要因为：相较于金、银、铜而言，铝的重量轻、价格便宜而且耐腐蚀、利用加工设备可以制成各种复杂的形状。散热器散热方式为：与外壳通过较大面积直接紧密连结，元器件的热量能通过散热器直接传递到铝合金外壳上，然后散发到空气中。散热路径：器件→散热器→外壳→空气。

风扇：风扇是为了强制散热，利用空气对流，将功率元件及散热器散发出的热量带走。一般风扇转速是根据温度变化而变化的。

■ 温度控制逻辑

高温调节，以1台10KW的机器举例说明(以下数据仅供参考)：

10KW机器满载输出为10KW，风扇100%转速时为3000rad/min，下图横坐标为环境温度。

1)当环境温度在35℃时，散热器温度上升，机器满载输出，风扇以50%转速转动。

2)当环境温度在45℃时，散热器温度达到功率降载阈值，机器开始降载输出9KW，风扇以100%转速转动。

3)当环境温度在60℃时，散热器温度达到保护值，机器停止发电并报过温保护，而风扇以100%转速转动。

■ 低温调节

由于机器低于温度下限值工作时并不会损坏元器件，一般低温是在达到低温保护阈值后直接保护。

可是在低温条件下当逆变器运行后，有电流流经器件时，如功率元件温度会迅速上升，产生热量提高内部腔体温度，使电容器工作温度远大于环境温度，这样可使电容维持设备运行。所以低温保护没有高温保护那么常见。

4.总结

一般机器运行后发热外壳温度在45℃ ～55℃之间，在夏天外界温度达38℃，逆变器多数情况下外壳温度在60℃左右。在低温环境下由于逆变器关键元器件都可以工作在零下25度，所以可以保证逆变器在环温-25℃以上正常工作。