1、逆變器主電路的可靠性計(jì)算邵戎 常越上海交通大學(xué) 摘要：逆變器主電路的可靠性是變頻器等功率轉(zhuǎn)化裝置安全合理使用的保證。以西門(mén)子(上海) 電氣傳動(dòng)設(shè)備有限公司 (原美國(guó)羅賓康公司) PH系列的630 V/100 A功率單元為例, 通過(guò)收集電力電子器件可靠性數(shù)據(jù), 建立逆變器主電路的可靠性數(shù)學(xué)模型, 并選擇其中主要器件之一鋁電解電容進(jìn)行重點(diǎn)分析, 從而對(duì)逆變器主電路可靠性進(jìn)行計(jì)算，并在此基礎(chǔ)上提出改進(jìn)設(shè)計(jì)來(lái)滿足國(guó)產(chǎn)化過(guò)程中系統(tǒng)可靠性指標(biāo)要求。關(guān)鍵詞：逆變器 電力電子器件 可靠性 Reliability Calculation of Main Circuit of InverterShao Rong

2、Chang YueAbstract: The reliability in power circuit of inverter is assurance for VFD and other power transfer application. In this paper, we select PH series 630V/100A power cell made by Siemens Electrical Drives (Shanghai) Ltd. (Robicon Shanghai) as sample. We collect its different power devices re

3、liability data and set up reliability block diagrams for its power circuit. Through analyzing reliability of Aluminum electrolytic capacitors which affects power circuit reliability deeply, we calculate power circuit reliability on supposed conditions. Based on the results, we can balance reliabilit

4、y and cost and optimize power circuit design during localization.Keywords: inverter power circuit reliability1 引言近年來(lái),隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,作為節(jié)能和過(guò)程工藝需要的逆變器在國(guó)內(nèi)已發(fā)展到成熟階段。其應(yīng)用普遍,已成為工業(yè)自動(dòng)化的重要環(huán)節(jié)。產(chǎn)品的壽命和可靠性越來(lái)越受到用戶和生產(chǎn)廠家的關(guān)注。通過(guò)逆變器主電路可靠性的計(jì)算,不僅使得從其設(shè)計(jì),工藝和可靠性管理上得以總結(jié)改善其可靠性的方法, 而且為現(xiàn)場(chǎng)的維修間隔提供方案。另外,其可靠性指標(biāo)的計(jì)算對(duì)拓?fù)錂C(jī)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜的高壓變頻器如單元串聯(lián)多電平高

5、壓變頻器,三電平高壓變頻器的可靠性研究具有指導(dǎo)意義。西門(mén)子(上海)電氣傳動(dòng)設(shè)備有限公司(原美國(guó)羅賓康公司,以下簡(jiǎn)稱羅賓康)主要生產(chǎn)單元串聯(lián)多電平高壓變頻器, 其核心部件功率單元其主要電路形式即為H橋逆變器。我們選擇其中一種630 V/100 A的功率單元作為研究對(duì)象。通過(guò)對(duì)逆變器主電路的可靠性計(jì)算, 我們期望對(duì)功率單元的可靠性有進(jìn)一步的認(rèn)識(shí), 從而從技術(shù)上和質(zhì)量管理上尋求提高國(guó)產(chǎn)化器件可靠性的方法。另外研究逆變器主電路可靠性可以為日后的逆變器設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供指導(dǎo)性的意義, 使得逆變器的單位成本在其構(gòu)成基于性能和可靠性得到合理的分布。2 逆變器工作原理2.1 單元串聯(lián)多電平高壓變頻器原理18功率單

6、元的單元串聯(lián)多電平高壓變頻器（AC 6 600 V）的主電路原理圖如圖1所示。圖 1 典型的單元串聯(lián)多電平高壓變頻器主電路原理圖圖1下部是輸入隔離變壓器，其每一個(gè)次級(jí)僅供給一個(gè)功率單元（A1-C6）。每個(gè)功率單元通過(guò)光纖接收調(diào)制信息以產(chǎn)生負(fù)載所需要的輸出電壓和頻率, 即實(shí)現(xiàn)逆變。與標(biāo)準(zhǔn)PWM系統(tǒng)不一樣，加在電機(jī)端子上的電壓是由許多較小幅度電壓疊加所產(chǎn)生的而不是采用較少的大幅度電壓。這可明顯減小對(duì)電機(jī)絕緣的電壓應(yīng)力同時(shí)提高電機(jī)電流的質(zhì)量。因每個(gè)功率單元由變壓器具有不同角度相位差的次級(jí)供電，所以變頻器輸入電流失真明顯減少，輸入功率因數(shù)保持高于0.95。2.2 逆變器(功率單元)主電路原理同臺(tái)變頻器

7、上功率單元是完全相同的，不同功率和輸出電流的變頻器其功率單元規(guī)格可能是不同的。不同功率單元其尺寸或主電路功率二極管(三相不控整流)、濾波電容和IGBT(H橋逆變)是不一樣的。 每個(gè)功率單元包含一塊含IGBT柵極驅(qū)動(dòng)的單元控制板。逆變器主電路根據(jù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)以PWM調(diào)制方式將固定電壓630 V和固定頻率50 Hz輸入的正弦波轉(zhuǎn)化為脈寬和頻率可變的正弦波輸出。此功能不能實(shí)現(xiàn)時(shí)逆變器主電路被判為失效。其原理圖如圖2所示。圖 2 逆變器主電路原理圖羅賓康第3代單元串聯(lián)多電平變頻器提供5種基本單元型號(hào)（電流額定值），組合起來(lái)提供3 300 VAC（每相3單元串聯(lián)）,4 160 VAC（每相4單元串聯(lián)），4

8、800 VAC（每相5單元串聯(lián)）和6 600 VAC（每相6單元串聯(lián)）的輸出工作電壓。由此可見(jiàn)，逆變器作為高壓變頻器的一個(gè)主要部件，對(duì)整機(jī)的可靠性起到重要的作用，尤其是羅賓康單元串聯(lián)多電平變頻器是由眾多逆變器組成。其生產(chǎn)的6 kV第三代單元串聯(lián)多電平變頻器由18個(gè)逆變器組成。3 逆變器主電路可靠性模型3.1 可靠性理論的基本概念平均故障時(shí)間(Mean Time Between Failure)：逆變器主電路屬于可維修系統(tǒng)。一個(gè)可修系統(tǒng)在使用過(guò)程中發(fā)生了N次故障，每次故障修復(fù)后又重新投入使用，測(cè)得其每次工作持續(xù)時(shí)間為t1，t2，.，tn。其平均故障時(shí)間（用符號(hào)MTBF表示）為式中：T為系統(tǒng)總的工

9、作時(shí)間。失效率：指系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)喪失功能的概率。失效率通常以Fit（Failure in time）作單位，1Fit=10-9hour。失效曲線：通常電子元器件的典型的失效曲線如圖3，即通常稱為的“浴盆曲線”。它分為早期失效期, 隨機(jī)失效期和耗損失效期3個(gè)階段。圖 3 典型的失效曲線早期失效期，一般發(fā)生在產(chǎn)品的初期，即工廠的生產(chǎn)和測(cè)試階段，有時(shí)也會(huì)延伸到客戶現(xiàn)場(chǎng)。嚴(yán)格的產(chǎn)品檢驗(yàn)控制和出廠測(cè)試有助于減少早期失效期內(nèi)的失效率，同時(shí)使早期失效期在出廠前結(jié)束.隨機(jī)失效期是在產(chǎn)品使用的中期，由選型設(shè)計(jì)所決定, 也是客戶最為關(guān)心的階段。嚴(yán)格的設(shè)計(jì)控制和樣品試驗(yàn)評(píng)估有助于延長(zhǎng)隨機(jī)失效期和減

10、少隨機(jī)失效期內(nèi)規(guī)定的失效率。耗損失效期發(fā)生在產(chǎn)品的使用晚期。 由于逆變器的主要元器件都屬于電子元器件，而且我們?cè)诿枋瞿孀兤髦麟娐返目煽啃阅Ｐ蜁r(shí)主要是針對(duì)其發(fā)生在早期失效期后情況，即逆變器的失效曲線類似指數(shù)分布?？煽慷葹槠涫Х植紴槠涫芏葹槭蕿槠淦骄收蠒r(shí)間為由于指數(shù)分布的失效率在隨機(jī)失效期內(nèi)不隨時(shí)間變化，因此對(duì)由指數(shù)分布的部件組成的系統(tǒng)，不能采用提前更換經(jīng)過(guò)工作考驗(yàn)的部件來(lái)提高系統(tǒng)的可靠性。這種替換不僅干擾了系統(tǒng)，而且可能帶來(lái)早期失效。逆變器主電路可靠性模型。在建立逆變器主電路可靠性模型前，做以下假設(shè)：當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路可靠性沒(méi)有納入逆變器主電路可靠性模型時(shí)，應(yīng)假設(shè)整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路是完全可靠的；

11、當(dāng)軟件可靠性沒(méi)有納入逆變器主電路可靠性模型時(shí)，應(yīng)假設(shè)整個(gè)軟件是完全可靠的； 當(dāng)人員可靠性沒(méi)有納入逆變器主電路可靠性模型時(shí)，應(yīng)假設(shè)人員完全可靠，而且人員與逆變器主電路的之間沒(méi)有相互作用問(wèn)題； 在分析逆變器主電路可靠性時(shí)必須考慮方框所代表的分電路的可靠性特征值； 所有連接方框的線沒(méi)有可靠性值，不代表與逆變器主電路有關(guān)的母排。當(dāng)其沒(méi)有納入產(chǎn)品可靠性模型時(shí)，應(yīng)假設(shè)整個(gè)母排是完全可靠的；逆變器主電路的所有輸入在規(guī)定極限之內(nèi)，即輸入U(xiǎn)in/Iin=630 VAC/80 A輸出Uout/Iout=630 VAC/100 A 就失效概率來(lái)說(shuō)，用一個(gè)方框表示的每一分電路或功能的失效概率是相互獨(dú)立的；因此可由逆變

12、器主電路的電氣原理圖做出逆變器主電路的可靠性框圖，見(jiàn)圖4。圖 4 逆變器主電路的可靠性框圖因圖4中一個(gè)方框表示的分電路或功能失效就會(huì)造成整個(gè)產(chǎn)品的失效，并無(wú)其它代替的工作模式，可認(rèn)為逆變器主電路屬于串聯(lián)系統(tǒng)。 而 串聯(lián)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型： 式中，n為組成系統(tǒng)的單元數(shù)，Ri為系統(tǒng)中的第i個(gè)分電路的可靠性；Rs為系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)各部件的壽命分布為指數(shù)分布時(shí)，即式中：如果系統(tǒng)中的第i個(gè)分電路都由Ki個(gè)相同元器件組成，而每種元器件都有一定的失效率li，并且都是串聯(lián)的，則該系統(tǒng)第i個(gè)分電路的失效率為Kili。該系統(tǒng)的失效率為 系統(tǒng)的平均故障時(shí)間間隔：3.2 主要分電路可靠性的計(jì)算由鋁電解電容器構(gòu)成的直流濾波

13、分電路起平波儲(chǔ)能的作用。它是逆變器主電路可靠性串聯(lián)系統(tǒng)中可靠性相對(duì)較弱的分電路。我們單獨(dú)將其列出分析。鋁電解電容器失效機(jī)理和特征。由于電容的等效串聯(lián)感抗發(fā)生變化，即有可能漂移過(guò)高，導(dǎo)致電容損耗發(fā)熱,突然導(dǎo)致?lián)舸┗蛘邲_開(kāi)安全孔使得電解液開(kāi)始揮發(fā)變干最后變成開(kāi)路。另外一種情況,制造過(guò)程中環(huán)境的不干凈或材質(zhì)不純，如含氯硫離子很容易破壞引出電極，該點(diǎn)也是電容器電壓暫態(tài)過(guò)程中主要承受電壓的地方。在經(jīng)歷反復(fù)送電后, 這些地方如經(jīng)污染過(guò)很容易過(guò)早擊穿。鋁電解電容器組串并聯(lián)。630 V/100 A單元其直流母線電壓為850 VDC，所需容量需承擔(dān)5個(gè)周期的電網(wǎng)電壓消失后的滿載輸出，即C=Q/U=100 A0.

14、1 s/283 V=10/283=0.035 F=3500 F基于目前電容器的制造水平，選擇串并結(jié)合的方式獲得所需要的容量和對(duì)電壓的要求。 本逆變器主電路選用Vr=400 VDC，6 300 F鋁電解電容器，3串4并，共計(jì)12個(gè)，等效容量為8 400 F。因采用串聯(lián)方式連接電容，需注意鋁電解電容器的分壓?jiǎn)栴}。容值的誤差可以使容值較小的電容分配到很高的電壓。使用均壓電阻是在各電容之間正確分配電壓的一種較好的方式，使用高品質(zhì)和阻值差異小的均壓電阻，否則電阻的失效會(huì)導(dǎo)致電容因分壓不均而擊穿。另外因采用并聯(lián)方式連接，就需確保分配到每個(gè)電容支路上的電流相等。在高頻應(yīng)用時(shí)，電感可以導(dǎo)致每個(gè)電容上的電流分配

15、不均勻。鋁電解電容器組可靠性指標(biāo)計(jì)算如下： 電容器壽命的終結(jié)，一般有如下標(biāo)準(zhǔn)：Th Core Temp 105(85 產(chǎn)品)或 ESR 2 x ESR初始為計(jì)算電容工作壽命LOP，必須知道：工作電壓Va，電容流過(guò)的電流的有效值IRMS，環(huán)境溫度Ta和熱阻Rth。產(chǎn)品的ESR值和熱阻Rth可從電容器制造商獲得。變頻器制造商一般都會(huì)提供電容流過(guò)的電流的有效值IRMS。得到正確的Th值后，就可利用上述公式很容易計(jì)算出電容工作壽命。由于并聯(lián)支路的數(shù)量會(huì)影響并聯(lián)支路的電流,在適合的條件下，增加并聯(lián)支路的數(shù)量會(huì)減少并聯(lián)支路的電流，降低因電容損耗造成的溫升，從而提高電容的工作壽命。 對(duì)于鋁電解電容器組的應(yīng)用

16、來(lái)說(shuō)，使用多久和失效率是兩個(gè)不同的問(wèn)題,即我們不僅要知道電容什么時(shí)候進(jìn)入耗損失效期，同時(shí)要知道在電容的使用過(guò)程中其失效的機(jī)率。 根據(jù)制造商提供的計(jì)算書(shū)，本文所述的逆變器主電路的直流濾波分電路的可靠性指標(biāo)如下：平均壽命Lop=87 600 h，fit50。 其它分電路器件可靠性指標(biāo)采用下列兩種途徑收集： 制造商提供：IGBT 失效率100fit 現(xiàn)場(chǎng)收集：西門(mén)子（上海）電氣傳動(dòng)設(shè)備有限公司從2005年四月開(kāi)始功率單元組裝，截至到2007年三月，共生產(chǎn)630 V/100 A功率單元1 400個(gè)。按平均時(shí)間出廠一年計(jì)算，并計(jì)85%的現(xiàn)場(chǎng)使用率,共計(jì)10 000 000 h。從現(xiàn)場(chǎng)反饋的失效報(bào)告數(shù)量如

17、下： 輸入保護(hù)熔斷器：0，失效率100 fit； 三相整流橋功率二極管：0，失效率100 fit； 均壓繞線電阻：2，失效率200 fit；浪涌保護(hù)薄膜電容：0，失效率100 fit。3.3 逆變器主電路可靠性計(jì)算我們將上述不同方式收集到的分電路器件可靠性指標(biāo)填入表1。表1 逆變器主電路的可靠性表分電路名稱器件名稱圖紙代號(hào)型號(hào)規(guī)格Kili(FIT)Kili(FIT)輸入保護(hù)熔斷器F1F380A,690V3100300三相整流橋功率二極管D1D6Ifavm=171A6100600濾波電容鋁電解電容C1C126300uf,400V1250600均壓電阻繞線電阻R1R36K,300W3200600H

18、逆變橋IGBTQ1Q4150A,1400V4100400浪涌保護(hù)薄膜電容S1S20.68uf,1600V2100200逆變器主電路可靠性計(jì)算4 逆變器主電路可靠性計(jì)算的意義4.1 成本最優(yōu)設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí), 可能有兩種設(shè)計(jì)方案: 第一種是設(shè)計(jì)出低成本制造(可靠性低), 但需要高成本的支持和保修開(kāi)銷的產(chǎn)品。第二種是設(shè)計(jì)出高成本制造(可靠性高), 但無(wú)需過(guò)多支持成本和保修開(kāi)銷的產(chǎn)品。則可靠性的期望值就是產(chǎn)品綜合成本最低的設(shè)計(jì)方案下的可靠性值。成本/可靠性平衡圖見(jiàn)圖5。圖 5 成本/可靠性平衡圖由于不同的設(shè)計(jì)方案牽涉到的材料成本水平和人工成本水平會(huì)由于地域和時(shí)間上的差異發(fā)生變化，即可靠性期望水平會(huì)發(fā)

19、生變化。例如，手機(jī)由于核心技術(shù)的更新，會(huì)由一個(gè)可維修系統(tǒng)變成不可維修系統(tǒng)。而一件原先人工修理成本很高的產(chǎn)品由于人工修理成本降低可由不可維修系統(tǒng)變成可維修系統(tǒng)。所以在跨國(guó)公司在做產(chǎn)品本土化時(shí)應(yīng)充分考慮到制造地和市場(chǎng)等具體條件，靈活地調(diào)整設(shè)計(jì)方案，使得產(chǎn)品達(dá)到一個(gè)期望的可靠性水平。4.2 產(chǎn)品維護(hù) 研究可維修系統(tǒng)產(chǎn)品的可靠性，對(duì)其在使用的維護(hù)也有意義。一般產(chǎn)品的維修通常都會(huì)有以下幾種方式：事后維修，預(yù)防維修和狀態(tài)維修 事后維護(hù)一般用于故障時(shí)影響不大的產(chǎn)品的維護(hù)。但是針對(duì)故障會(huì)造成重大損失的產(chǎn)品，事后維護(hù)不能作為主要的維修方法。而采取預(yù)防維護(hù)則是不錯(cuò)的選擇。其本質(zhì)含義就是根據(jù)產(chǎn)品的MTBF制定維修計(jì)

20、劃，即先于產(chǎn)品的故障發(fā)生更換將要發(fā)生故障的器件。被更換的器件通常是根據(jù)其在產(chǎn)品可靠性模型中的重要性和其MTBF選擇，這樣就避免除器件材料成本外的維修成本的重復(fù)。由于MTBF是一個(gè)統(tǒng)計(jì)數(shù)字，它和產(chǎn)品的實(shí)際狀態(tài)或多或少有些差異，這些差異會(huì)使維修計(jì)劃的不準(zhǔn)確造成維修成本的浪費(fèi)。因此狀態(tài)維修，應(yīng)是在基于預(yù)防維護(hù)上的一種更加精確的維修，它是根據(jù)可靠性系統(tǒng)組成器件失效特征的先兆表現(xiàn)而擬定維護(hù)計(jì)劃更加貼近產(chǎn)品的真實(shí)狀態(tài)。4.3 可靠性和質(zhì)量管理可靠性屬于產(chǎn)品的性能指標(biāo)，不過(guò)它不象產(chǎn)品的其它性能指標(biāo)，如效率，是可以在短時(shí)間內(nèi)根據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)可以測(cè)量出來(lái)的，它只能通過(guò)長(zhǎng)期試驗(yàn)或者統(tǒng)計(jì)出來(lái)的。從產(chǎn)品的成本的考慮上,

21、 可以說(shuō)是和質(zhì)量管理的目的是一致的, 即使產(chǎn)品的成本最低。但是產(chǎn)品的可靠性水平可能是會(huì)由于成本的構(gòu)成發(fā)生變動(dòng)會(huì)有一定的調(diào)整，但質(zhì)量的目的是保持一致性, 是減少產(chǎn)品的不必要成本, 或者說(shuō)質(zhì)量管理的目的是減少實(shí)際值和期望值的偏差。任何偏離期望可靠性過(guò)大的可靠性是違背質(zhì)量原則的, 即在大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)單獨(dú)一個(gè)產(chǎn)品永遠(yuǎn)不失效是沒(méi)有意義的。因此質(zhì)量管理的目的是通過(guò)一系列活動(dòng), 從人員, 原料, 方法，設(shè)備,環(huán)境上去除對(duì)產(chǎn)品影響的一些隨機(jī)性的因素, 使得產(chǎn)品的實(shí)際的可靠性水平接近于期望的可靠性水平。參考文獻(xiàn)1 李海泉, 李剛.系統(tǒng)可靠性分析與設(shè)計(jì).科學(xué)出版社, 20032 徐平，李全燦. 電控及自動(dòng)化設(shè)備可靠性工程