大功率逆變電源典型故障原因分析及改進措施

王志宇，郇文明

大功率逆變電源典型故障原因分析及改進措施

王志宇，郇文明

（海裝沈陽局駐葫蘆島地區軍事代表室，遼寧 葫蘆島 125000）

根據GJB9001C-2017中質量問題處理的相關工作要求，對大功率逆變電源調試過程中出現的兩例典型設備保護停機故障進行定位和機理分析，并采取措施排除故障，進行問題復現，驗證整改措施，確定故障原因為逆變電路電容載流量或者電容大小不滿足設計及使用的工況要求，產品質量得到大幅提升并有效的豐富了設備故障庫。最后經過舉一反三，明確后續電路設計要充分考慮在整個電路中的載流量要求，以及多臺逆變電源并聯配合時電容的選擇要求，謹慎選型。

GJB9001C-2017；大功率逆變電源；逆變電路；電容

0 引言

隨著國內造船技術能力的不斷發展壯大，大功率逆變電源作為主要電源變換設備已經在現代船舶上得到廣泛應用，是船舶電力系統的重要組成部分，大功率逆變電源的主要作用是將電網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，為電動機、通信導航等設備提供電能，同時避免用電設備對發電機造成干擾。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，需進行調試試驗，以檢驗其實際性能與設計要求是否一致，并對其可靠性進行驗證，本文通過對兩起調試期間發生的故障進行描述并展開分析發生原因，采取措施消除故障，并進行故障復現，以驗證采取措施的可靠性與真實性，最后開展舉一反三，避免以后發生類似故障，增強設備承制單位的質量控制水平，提升顧客滿意度。

1 故障一分析

1.1 現象

大功率逆變電源自滿載運行發生保護報警停機，通過拆解發現功率模塊中電容發生損壞，內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。進一步排查發現C相功率模塊中也存在類似問題，結合當時設備滿載運行工況，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為過熱損壞。

1.2 問題定位

大功率逆變電源采用組合式結構，A、B、C三相采用通用的單相功率模塊，在各功率模塊內部就近 IGBT 逆變電路布置4只0.6 mF電容并聯，在功率模塊外部集中布置12只3.3 mF電容并聯。在冷卻設計上，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IGBT水冷板溫度超過過溫預警值65℃（10 s）時會啟動功率模塊內的風機進行輔助風冷散熱。將損壞的模塊內電容、以及二次受損的信號光纖進行更換恢復后，設備單機運行正常，判斷該問題定位為功率模塊內電容過溫損壞。

1.3 機理分析

搭建電容電流測試工裝，對電容載流量進行實測檢查，實測逆變電源滿載時單只模塊電容電流有效值約70 A，滿足設計技術要求中關于電容器總電流70 A的規定。電容電流過載引起的過溫原因可以排除。于是進行電容均溫分析，為保證電容載流量要求，該型電容采用三層柱芯并聯結構設計，如圖1所示。

圖1 電容結構圖

進行了三層柱芯溫升一致性摸底試驗，對單只電容加載高頻電流77A@20 kHz[1]，至熱穩定后觀測三層柱芯，離極柱由近及遠依次為Bx1、Bx2、Bx3，對應部位的外殼溫度分別為58.8、57.2、55.4℃，外殼溫差<4℃，不會出現層間不均導致單層電流過載引起過溫損壞的故障。電容內部層間不均溫原因可以排除。

進一步結合故障電容返廠拆解情況，電容內部金屬膜面無自愈點，產品金屬化膜無異常。多個電容出現異常點均為第一級芯子表面高溫導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該款電容器在實際使用時電流頻率為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部載流銅帶的電流趨膚效應會加重，導致銅帶載流發熱增加；

②由于電容器內部采用三個電容芯子并聯結構，三個芯子單元離電極的距離有差異，因此對應的連接銅待的長度引起極柱至三個并聯單元芯子阻抗差異。由于電流會優先通過阻抗小的支路，因此離電極最近的第一個芯子（阻抗最?。┩ㄟ^的電流會最大，導致連接第一個芯子的銅帶通過更多的電流。由于以上兩個原因，最終導致第一個芯子上的銅帶過熱，銅帶上的熱量會傳遞到緊鄰的第一芯子上，此時高溫會導致芯子的有機高分子絕緣材料-聚丙烯薄膜高溫老化，絕緣性能下降，最終芯子擊穿，擊穿產生的高溫會導致聚丙烯熔融。

對光纖防護設計進行分析，鑒于此次電容損壞將附近 IGBT 光纖熔融的故障現象，項目組對功率模塊內光纖防護設計開展了分析。因功率模塊輔助風冷散熱需從各電容器間隙獲取風道，電容器與光纖線之間無法采取隔擋防護。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保護措施使設備停機。因此，只能采取將光纖線盡量遠離電容器外殼走線來進行防護。

經上述機理分析，定位故障原因為功率模塊電容器內部銅帶載流量設計余量不足，在流經滿載電流（含10 kHz 及以上高頻成分，原技術要求中未明確）后熱量累積引起電容絕緣材料膨脹，導致電容附近光纖信號線熔融損壞，造成報警停機[1～2]。

1.4 問題復現

采用相同規格結構電容器，在第一個芯子連接銅帶處放置溫度傳感器，此時按照 15 kHz@70 A，50℃的條件進行溫升測試。測試結果發現，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，銅帶的發熱會更加嚴重，故障點復現成功，不滿足原技術要求中“柱芯溫度≤70℃”要求（原出廠試驗按照4 kHz設定）。因此，可推斷電容器損壞原因為流經電容器的電流頻率過高，高頻情況下銅帶發熱過大，最終導致電容器損壞。[1]

1.5 措施及驗證情況

在上述問題定位及機理分析基礎上，采取改進電容器內部結構，降低電容器銅帶通入高頻電流的趨膚效應，對模塊電容進行改善，改進方案如下：

①修改電容器內部銅帶結構，增加銅帶個數，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。

改進方案樣品在大功率逆變電源上進行多輪滿功率連續運行測試，運行4 h（280 min）穩定后數據如下：

圖3 電容溫度變化圖

試驗結果顯示，改進方案狀況良好。電容內部最熱點溫度為75.7℃（＜內部熱點 85℃要求），相較于運行環境溫升20 K。4個電容器外殼溫度均基本穩定（＜65℃），相較于運行環境溫升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℃技術要求[3]。

2 故障二分析

2.1 現象

兩臺大功率逆變電源空載并聯運行時，其中一臺逆變電源直流電容過壓保護停機。

2.2 問題定位

大功率逆變電源在空載并聯工況下無負載阻抗，能量直接在設備之間進行功率交換形成功率環流，穩定狀態下有功環流和無功環流可實現自動平衡。為排除軟件控制影響，在功率控制開環條件下再次進行兩機空載并聯試驗，依然發生過壓保護停機現象。說明其中一臺逆變電源在并聯投入后持續吸收有功功率，功率波動未恢復到平衡狀態，引起直流側電容電壓泵升。

2.3 機理分析

逆變電源空載并聯，其環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?？蛰d工況下逆變電源輸出電壓幅值相當，各單機濾波阻抗基本一致，其有功功率環流大小與同步相位直接相關。而并聯相位是依靠逆變電源數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現同步，為此將兩臺逆變電源數字量板拆下，單獨對同步信號進行測試發現兩者相差近3 μs，對應基波周期內的0.054°。因此相位滯后的逆變電源因持續吸收有功功率引起直流側電容電壓泵升，造成過壓保護停機。將兩臺逆變電源的同步信號進行一致化處理后，該兩臺逆變電源并聯空載穩定運行，可以判斷該問題為逆變電源數字量板的同步延時信號不一致[4]。

2.4 問題復現

將兩臺逆變電源數字量板恢復到初始狀態后進行空載并聯試驗，仍然發生直流側電容過壓保護停機。

2.5 措施及驗證情況

在上述問題定位及機理分析基礎上，將兩臺逆變電源數字量板電容器件匹配控制延時差距在±0.5 us后，多次進行兩機并聯空載運行驗證，系統均正常。所以要求生產廠家對數字量板中的濾波電容進行嚴格篩選，并在板子調試中增加同步信號延時測試項，保證延時差值控制在±0.5 μs內?？紤]到空載并聯對逆變電源輸出電壓幅值、相位及線路阻抗要求嚴苛，且實際工況中無并聯空載長期運行工況，為規避空載并聯過壓風險，要求補充系統運行工況說明，明確在單機帶載后進入并聯，退出并聯后再切除負載[5]。

3 結論

通過對以上兩起故障的分析發現，電容器的選型在大功率逆變電源設計和生產過程中至關重要，要充分考慮在整個電路中的載流量要求，以及多臺逆變電源并聯配合時電容的選擇要求。選型工作要嚴格按照標準要求開展。

[1] 信息產業部電子第四研究所. 軍用電容器選擇與應用指南: GJB/Z 148-2006[S]. 2006.

[2] 中央軍委裝備發展部合同監管局. 質量管理體系要求: GJB9001C-2017 [S]. 2017.

[3] 楊彩虹. 大功率逆變電源串并聯技術研究[D]. 合肥: 合肥工業大學, 2013.

[4] 陳穆清, 高原, 袁陽. 船用大功率逆變電源與電機負載匹配性研究[J]. 信息技術與信息化, 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電路的實現[J]. 電氣自動化, 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。E-mail：2864709281@qq.com