大功率逆變電源典型故障原因分析及改進(jìn)措施

王志宇，郇文明

大功率逆變電源典型故障原因分析及改進(jìn)措施

王志宇，郇文明

（海裝沈陽局駐葫蘆島地區(qū)軍事代表室，遼寧 葫蘆島 125000）

根據(jù)GJB9001C-2017中質(zhì)量問題處理的相關(guān)工作要求，對大功率逆變電源調(diào)試過程中出現(xiàn)的兩例典型設(shè)備保護(hù)停機(jī)故障進(jìn)行定位和機(jī)理分析，并采取措施排除故障，進(jìn)行問題復(fù)現(xiàn)，驗(yàn)證整改措施，確定故障原因?yàn)槟孀冸娐冯娙葺d流量或者電容大小不滿足設(shè)計(jì)及使用的工況要求，產(chǎn)品質(zhì)量得到大幅提升并有效的豐富了設(shè)備故障庫。最后經(jīng)過舉一反三，明確后續(xù)電路設(shè)計(jì)要充分考慮在整個(gè)電路中的載流量要求，以及多臺逆變電源并聯(lián)配合時(shí)電容的選擇要求，謹(jǐn)慎選型。

GJB9001C-2017；大功率逆變電源；逆變電路；電容

0 引言

隨著國內(nèi)造船技術(shù)能力的不斷發(fā)展壯大，大功率逆變電源作為主要電源變換設(shè)備已經(jīng)在現(xiàn)代船舶上得到廣泛應(yīng)用，是船舶電力系統(tǒng)的重要組成部分，大功率逆變電源的主要作用是將電網(wǎng)上的中壓直流電變換為380 V，50 Hz的三相交流電，再輸送至各分配電板，為電動(dòng)機(jī)、通信導(dǎo)航等設(shè)備提供電能，同時(shí)避免用電設(shè)備對發(fā)電機(jī)造成干擾。其逆變電路主要由逆變器、濾波器、和控制電路組成，而其中的典型器件主要在正式交付前，需進(jìn)行調(diào)試試驗(yàn)，以檢驗(yàn)其實(shí)際性能與設(shè)計(jì)要求是否一致，并對其可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，本文通過對兩起調(diào)試期間發(fā)生的故障進(jìn)行描述并展開分析發(fā)生原因，采取措施消除故障，并進(jìn)行故障復(fù)現(xiàn)，以驗(yàn)證采取措施的可靠性與真實(shí)性，最后開展舉一反三，避免以后發(fā)生類似故障，增強(qiáng)設(shè)備承制單位的質(zhì)量控制水平，提升顧客滿意度。

1 故障一分析

1.1 現(xiàn)象

大功率逆變電源自滿載運(yùn)行發(fā)生保護(hù)報(bào)警停機(jī)，通過拆解發(fā)現(xiàn)功率模塊中電容發(fā)生損壞，內(nèi)部絕緣膠從外殼膨出；高溫絕緣膠將電容附近的信號光纖灼傷。進(jìn)一步排查發(fā)現(xiàn)C相功率模塊中也存在類似問題，結(jié)合當(dāng)時(shí)設(shè)備滿載運(yùn)行工況，及下電后功率模塊電容表面觸感溫度，初步判斷電容故障原因?yàn)檫^熱損壞。

1.2 問題定位

大功率逆變電源采用組合式結(jié)構(gòu)，A、B、C三相采用通用的單相功率模塊，在各功率模塊內(nèi)部就近 IGBT 逆變電路布置4只0.6 mF電容并聯(lián)，在功率模塊外部集中布置12只3.3 mF電容并聯(lián)。在冷卻設(shè)計(jì)上，上述電容采用自然冷卻，主電路中的IGBT貼裝在水冷板上采用水冷冷卻，當(dāng)IGBT水冷板溫度超過過溫預(yù)警值65℃（10 s）時(shí)會(huì)啟動(dòng)功率模塊內(nèi)的風(fēng)機(jī)進(jìn)行輔助風(fēng)冷散熱。將損壞的模塊內(nèi)電容、以及二次受損的信號光纖進(jìn)行更換恢復(fù)后，設(shè)備單機(jī)運(yùn)行正常，判斷該問題定位為功率模塊內(nèi)電容過溫?fù)p壞。

1.3 機(jī)理分析

搭建電容電流測試工裝，對電容載流量進(jìn)行實(shí)測檢查，實(shí)測逆變電源滿載時(shí)單只模塊電容電流有效值約70 A，滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求中關(guān)于電容器總電流70 A的規(guī)定。電容電流過載引起的過溫原因可以排除。于是進(jìn)行電容均溫分析，為保證電容載流量要求，該型電容采用三層柱芯并聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1所示。

圖1 電容結(jié)構(gòu)圖

進(jìn)行了三層柱芯溫升一致性摸底試驗(yàn)，對單只電容加載高頻電流77A@20 kHz[1]，至熱穩(wěn)定后觀測三層柱芯，離極柱由近及遠(yuǎn)依次為Bx1、Bx2、Bx3，對應(yīng)部位的外殼溫度分別為58.8、57.2、55.4℃，外殼溫差<4℃，不會(huì)出現(xiàn)層間不均導(dǎo)致單層電流過載引起過溫?fù)p壞的故障。電容內(nèi)部層間不均溫原因可以排除。

進(jìn)一步結(jié)合故障電容返廠拆解情況，電容內(nèi)部金屬膜面無自愈點(diǎn)，產(chǎn)品金屬化膜無異常。多個(gè)電容出現(xiàn)異常點(diǎn)均為第一級芯子表面高溫導(dǎo)致的金屬化膜熔化痕跡，且熔融部位靠近銅帶部分，如圖。

圖2 損壞電容解剖圖

電容器失效原因分析如下：

①該款電容器在實(shí)際使用時(shí)電流頻率為10 kHz及其倍頻次，總電流有效值為70.79 A。在高頻情況下通過電容器內(nèi)部載流銅帶的電流趨膚效應(yīng)會(huì)加重，導(dǎo)致銅帶載流發(fā)熱增加；

②由于電容器內(nèi)部采用三個(gè)電容芯子并聯(lián)結(jié)構(gòu)，三個(gè)芯子單元離電極的距離有差異，因此對應(yīng)的連接銅待的長度引起極柱至三個(gè)并聯(lián)單元芯子阻抗差異。由于電流會(huì)優(yōu)先通過阻抗小的支路，因此離電極最近的第一個(gè)芯子（阻抗最小）通過的電流會(huì)最大，導(dǎo)致連接第一個(gè)芯子的銅帶通過更多的電流。由于以上兩個(gè)原因，最終導(dǎo)致第一個(gè)芯子上的銅帶過熱，銅帶上的熱量會(huì)傳遞到緊鄰的第一芯子上，此時(shí)高溫會(huì)導(dǎo)致芯子的有機(jī)高分子絕緣材料-聚丙烯薄膜高溫老化，絕緣性能下降，最終芯子擊穿，擊穿產(chǎn)生的高溫會(huì)導(dǎo)致聚丙烯熔融。

對光纖防護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，鑒于此次電容損壞將附近 IGBT 光纖熔融的故障現(xiàn)象，項(xiàng)目組對功率模塊內(nèi)光纖防護(hù)設(shè)計(jì)開展了分析。因功率模塊輔助風(fēng)冷散熱需從各電容器間隙獲取風(fēng)道，電容器與光纖線之間無法采取隔擋防護(hù)。為防止光纖線因彎折過大引起光信號傳輸減弱，需留出一定彎曲空間。另外光纖線熔融可作為被動(dòng)保護(hù)措施使設(shè)備停機(jī)。因此，只能采取將光纖線盡量遠(yuǎn)離電容器外殼走線來進(jìn)行防護(hù)。

經(jīng)上述機(jī)理分析，定位故障原因?yàn)楣β誓K電容器內(nèi)部銅帶載流量設(shè)計(jì)余量不足，在流經(jīng)滿載電流（含10 kHz 及以上高頻成分，原技術(shù)要求中未明確）后熱量累積引起電容絕緣材料膨脹，導(dǎo)致電容附近光纖信號線熔融損壞，造成報(bào)警停機(jī)[1～2]。

1.4 問題復(fù)現(xiàn)

采用相同規(guī)格結(jié)構(gòu)電容器，在第一個(gè)芯子連接銅帶處放置溫度傳感器，此時(shí)按照 15 kHz@70 A，50℃的條件進(jìn)行溫升測試。測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，銅帶處溫度明顯要高于其他位置，此條件下，電容芯子最熱點(diǎn)溫度為65.12℃，而銅帶處溫度為 70.38℃，銅帶處的溫升要明顯高于其他部位，若電流頻率再增加，銅帶的發(fā)熱會(huì)更加嚴(yán)重，故障點(diǎn)復(fù)現(xiàn)成功，不滿足原技術(shù)要求中“柱芯溫度≤70℃”要求（原出廠試驗(yàn)按照4 kHz設(shè)定）。因此，可推斷電容器損壞原因?yàn)榱鹘?jīng)電容器的電流頻率過高，高頻情況下銅帶發(fā)熱過大，最終導(dǎo)致電容器損壞。[1]

1.5 措施及驗(yàn)證情況

在上述問題定位及機(jī)理分析基礎(chǔ)上，采取改進(jìn)電容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低電容器銅帶通入高頻電流的趨膚效應(yīng)，對模塊電容進(jìn)行改善，改進(jìn)方案如下：

①修改電容器內(nèi)部銅帶結(jié)構(gòu)，增加銅帶個(gè)數(shù)，增大銅帶整體載流量。

②銅帶厚度減小由 0.5 mm 降低為 0.2 mm，降低電容器的趨膚效應(yīng)。

改進(jìn)方案樣品在大功率逆變電源上進(jìn)行多輪滿功率連續(xù)運(yùn)行測試，運(yùn)行4 h（280 min）穩(wěn)定后數(shù)據(jù)如下：

圖3 電容溫度變化圖

試驗(yàn)結(jié)果顯示，改進(jìn)方案狀況良好。電容內(nèi)部最熱點(diǎn)溫度為75.7℃（＜內(nèi)部熱點(diǎn) 85℃要求），相較于運(yùn)行環(huán)境溫升20 K。4個(gè)電容器外殼溫度均基本穩(wěn)定（＜65℃），相較于運(yùn)行環(huán)境溫升15 K，該溫度情況下電容器可以正常工作，滿足電容外殼溫度≤70℃技術(shù)要求[3]。

2 故障二分析

2.1 現(xiàn)象

兩臺大功率逆變電源空載并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，其中一臺逆變電源直流電容過壓保護(hù)停機(jī)。

2.2 問題定位

大功率逆變電源在空載并聯(lián)工況下無負(fù)載阻抗，能量直接在設(shè)備之間進(jìn)行功率交換形成功率環(huán)流，穩(wěn)定狀態(tài)下有功環(huán)流和無功環(huán)流可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)平衡。為排除軟件控制影響，在功率控制開環(huán)條件下再次進(jìn)行兩機(jī)空載并聯(lián)試驗(yàn)，依然發(fā)生過壓保護(hù)停機(jī)現(xiàn)象。說明其中一臺逆變電源在并聯(lián)投入后持續(xù)吸收有功功率，功率波動(dòng)未恢復(fù)到平衡狀態(tài)，引起直流側(cè)電容電壓泵升。

2.3 機(jī)理分析

逆變電源空載并聯(lián)，其環(huán)流僅僅由各逆變單元的電壓輻值差、相位差和濾波阻抗決定。空載工況下逆變電源輸出電壓幅值相當(dāng)，各單機(jī)濾波阻抗基本一致，其有功功率環(huán)流大小與同步相位直接相關(guān)。而并聯(lián)相位是依靠逆變電源數(shù)字量板分布式硬件同步總線，外部同步信號總線采用帶隔離的線與邏輯總線來實(shí)現(xiàn)同步，為此將兩臺逆變電源數(shù)字量板拆下，單獨(dú)對同步信號進(jìn)行測試發(fā)現(xiàn)兩者相差近3 μs，對應(yīng)基波周期內(nèi)的0.054°。因此相位滯后的逆變電源因持續(xù)吸收有功功率引起直流側(cè)電容電壓泵升，造成過壓保護(hù)停機(jī)。將兩臺逆變電源的同步信號進(jìn)行一致化處理后，該兩臺逆變電源并聯(lián)空載穩(wěn)定運(yùn)行，可以判斷該問題為逆變電源數(shù)字量板的同步延時(shí)信號不一致[4]。

2.4 問題復(fù)現(xiàn)

將兩臺逆變電源數(shù)字量板恢復(fù)到初始狀態(tài)后進(jìn)行空載并聯(lián)試驗(yàn)，仍然發(fā)生直流側(cè)電容過壓保護(hù)停機(jī)。

2.5 措施及驗(yàn)證情況

在上述問題定位及機(jī)理分析基礎(chǔ)上，將兩臺逆變電源數(shù)字量板電容器件匹配控制延時(shí)差距在±0.5 us后，多次進(jìn)行兩機(jī)并聯(lián)空載運(yùn)行驗(yàn)證，系統(tǒng)均正常。所以要求生產(chǎn)廠家對數(shù)字量板中的濾波電容進(jìn)行嚴(yán)格篩選，并在板子調(diào)試中增加同步信號延時(shí)測試項(xiàng)，保證延時(shí)差值控制在±0.5 μs內(nèi)。考慮到空載并聯(lián)對逆變電源輸出電壓幅值、相位及線路阻抗要求嚴(yán)苛，且實(shí)際工況中無并聯(lián)空載長期運(yùn)行工況，為規(guī)避空載并聯(lián)過壓風(fēng)險(xiǎn)，要求補(bǔ)充系統(tǒng)運(yùn)行工況說明，明確在單機(jī)帶載后進(jìn)入并聯(lián)，退出并聯(lián)后再切除負(fù)載[5]。

3 結(jié)論

通過對以上兩起故障的分析發(fā)現(xiàn)，電容器的選型在大功率逆變電源設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中至關(guān)重要，要充分考慮在整個(gè)電路中的載流量要求，以及多臺逆變電源并聯(lián)配合時(shí)電容的選擇要求。選型工作要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求開展。

[1] 信息產(chǎn)業(yè)部電子第四研究所. 軍用電容器選擇與應(yīng)用指南: GJB/Z 148-2006[S]. 2006.

[2] 中央軍委裝備發(fā)展部合同監(jiān)管局. 質(zhì)量管理體系要求: GJB9001C-2017 [S]. 2017.

[3] 楊彩虹. 大功率逆變電源串并聯(lián)技術(shù)研究[D]. 合肥: 合肥工業(yè)大學(xué), 2013.

[4] 陳穆清, 高原, 袁陽. 船用大功率逆變電源與電機(jī)負(fù)載匹配性研究[J]. 信息技術(shù)與信息化, 2015(9): 130-131.

[5] 張臻, 金龍, 趙劍鋒, 等. 高壓大功率逆變電源過流保護(hù)電路的實(shí)現(xiàn)[J]. 電氣自動(dòng)化, 2015, 37(1): 34-36, 48.

Analysis of typical failure causes and improvement measures of high power inverter

Wang Zhiyu, Huan Wenming

(Huludao Military Representative Office of Shenyang Marine Equipment Bureau, Huludao 125000, Liaoning, China)

U674.7

A

1003-4862（2024）03-0062-03

2023-12-11

王志宇（1994-），男，助理工程師，研究方向：船舶電力系統(tǒng)。E-mail：2864709281@qq.com