Sélection à haute fiabilité et application du MLCC pour le stockage d'énergie photovoltaïque - Sélection basée sur un scénario de mécanisme de défaillance

Sélection et application à haute fiabilité du MLCC pour le stockage d'énergie photovoltaïque — Mécanisme de défaillance, sélection basée sur des scénarios, conception de la protection et guide de mise en œuvre pour des conditions de fonctionnement de longue durée de 25 ans

Entreprise : Dongguan Musen Leyton Electronic Technology Co., Ltd.

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Mu Sen Introduction

Poussés par la stratégie mondiale double carbone, la production d’énergie photovoltaïque et le stockage électrochimique de l’énergie sont devenus les piliers essentiels du nouveau système énergétique. La capacité installée des équipements de base tels que les onduleurs de branche, les onduleurs centraux, les PCS de stockage d'énergie, les systèmes de gestion de batterie BMS et les boîtiers de combinaison continue de croître rapidement. Les équipements de stockage d'énergie photovoltaïque sont généralement déployés dans des environnements difficiles tels que la nature sauvage, les plages de Gobi, les centrales électriques côtières, les plateaux et les zones montagneuses, confrontés à de multiples défis de fiabilité, notamment de larges cycles de température de -40 ℃ à 85 ℃, une polarisation CC haute tension à long terme, la corrosion par sulfuration au brouillard salin, la poussière et l'humidité du sable, les surtensions de foudre, les vibrations continues du ventilateur et une durée de vie ultra longue de 25 ans.

En tant que composant passif de base ayant la plus grande consommation dans les équipements de stockage d'énergie photovoltaïque, couvrant tous les circuits de puissance et de signal, la fiabilité du MLCC détermine directement la durée de vie, l'efficacité de la production d'électricité et les coûts d'exploitation et de maintenance de la centrale électrique. Il existe des écarts cognitifs répandus dans la sélection dans l'industrie : un grand nombre de solutions utilisent des condensateurs X7R ordinaires de qualité industrielle, ignorant les problèmes spécifiques au PV tels que le vieillissement de polarisation à haute tension, la corrosion extérieure, les cycles de température larges et l'atténuation de longue durée, ce qui entraîne des défaillances concentrées telles que l'atténuation de capacité, l'ondulation excessive, la dérive d'échantillonnage, le circuit ouvert de corrosion et la panne d'impulsion 3 à 5 ans après la mise en service de l'équipement, ce qui augmente considérablement les coûts d'exploitation et de maintenance de la centrale électrique, et provoque même des accidents de sécurité tels que la machine complète. le feu.

Ce livre blanc se concentre sur des applications de scénarios complets de stockage d'énergie photovoltaïque, démonte en profondeur six mécanismes de défaillance exclusifs, fournit des solutions de sélection standardisées pour quatre équipements de base : onduleurs, PCS de stockage d'énergie, BMS et boîtiers de combinaison, prend en charge les spécifications de conception de processus complets pour la protection haute tension, la protection de l'environnement et la protection structurelle, et établit un système de conception de fiabilité MLCC de longue durée de vie de 25 ans combiné avec des cas réels de rectification de centrale électrique et des listes de contrôle de sélection réalisables, aidant les entreprises de stockage d'énergie photovoltaïque à améliorer la fiabilité des équipements, à réduire le cycle de vie complet. les coûts d'exploitation et de maintenance, et compléter efficacement la mise à niveau de substitution nationale des composants de base.

1. Sept idées fausses fatales dans la sélection MLCC de stockage d'énergie photovoltaïque

1.1 Causes profondes des pannes tardives dans 90 % des centrales électriques

1. Idée fausse 1 : la conformité de la tension de tenue est suffisante, en ignorant l'atténuation de la capacité de polarisation CC
   Vérité : les condensateurs X7R ordinaires utilisés dans les jeux de barres haute tension peuvent avoir une atténuation de capacité de 30 % à 50 % sous une polarisation de tension nominale de 80 %, ce qui entraîne une capacité de filtrage et de stockage d'énergie réelle considérablement réduite, conduisant à une ondulation excessive et à une efficacité réduite. Le vieillissement à long terme aggrave encore l'atténuation et une défaillance peut survenir au bout de 3 à 5 ans.
2. Idée fausse n°2 : les équipements extérieurs sont dotés d'une protection de boîtier, les condensateurs résistant à la corrosion ne sont donc pas nécessaires
   Vérité : les embruns salins côtiers, les gaz sulfurés industriels et la poussière de sable du désert pénètreront dans l'équipement par les espaces de dissipation thermique et adhéreront à la surface du condensateur après condensation ; le placage de nickel-étain ordinaire ne peut pas résister à la corrosion pendant une longue période, et un circuit ouvert de corrosion des bornes se produira dans 2 à 3 ans, ce qui constitue une défaillance à forte incidence dans les centrales électriques côtières.
3. Idée fausse 3 : le PV est un scénario basse fréquence et ne nécessite pas de caractéristiques haute fréquence
   Vérité : La fréquence de commutation IGBT des onduleurs atteint des dizaines de kHz à des centaines de kHz, ce qui générera un grand nombre d'harmoniques et de pointes haute fréquence ; Le MLCC ordinaire de grande capacité présente des caractéristiques inductives à hautes fréquences et ne peut pas du tout absorber le bruit haute fréquence, ce qui entraîne des interférences électromagnétiques excessives et un risque accru de panne de pointe d'IGBT.
4. Idée fausse n°4 : le X7R ordinaire peut répondre à l'exigence de durée de vie de 25 ans
   Vérité : le X7R de qualité grand public/de qualité industrielle ordinaire est conçu uniquement selon une vérification du vieillissement de 1 000 heures. En fonctionnement à long terme à une température élevée de 85 ℃ + polarisation haute tension, l'atténuation annuelle de la capacité dépasse 3 % et l'atténuation cumulée sur 25 ans dépasse de loin la plage autorisée, ce qui ne peut tout simplement pas supporter un fonctionnement stable tout au long du cycle de vie.
5. Idée fausse 5 : les condensateurs du circuit d'échantillonnage ne sont pas importants, une précision ordinaire suffit
   Vérité : La précision de l'échantillonnage de tension et de courant des onduleurs photovoltaïques et des BMS affecte directement l'efficacité de la production d'électricité et la sécurité des batteries ; les diélectriques ordinaires ont une dérive de température importante, et l'écart d'échantillonnage à des températures élevées et basses entraînera une réduction de l'efficacité du suivi MPPT et une surcharge/décharge excessive de la batterie, et le vieillissement à long terme aggravera encore la dérive de précision.
6. Idée fausse n°6 : les vibrations n’affectent que les structures mécaniques et n’ont rien à voir avec les condensateurs
   Vérité : Le fonctionnement continu des ventilateurs de l'onduleur et des ventilateurs de refroidissement génère des vibrations sur toute la bande, associées à des chocs de transport et d'installation, qui provoqueront des microfissures de fatigue dans les MLCC de grande taille ; il n'y a aucune anomalie au stade initial et les fissures se développent après plusieurs années de fonctionnement pour provoquer un circuit ouvert et des fuites, ce qui est une défaillance retardée typique.
7. Idée fausse n°7 : les condensateurs domestiques ne peuvent pas répondre aux exigences élevées de fiabilité du photovoltaïque
   Vérité : Les principaux fabricants nationaux de MLCC ont lancé des séries spéciales pour le stockage de l'énergie photovoltaïque, qui ont passé avec succès les tests étendus de 2 000 heures de biais à haute température, de cycles de température et de brouillard salin, avec une comparaison de fiabilité par rapport aux marques internationales de premier rang ; entre-temps, ils présentent des avantages significatifs tels qu'une livraison rapide, un excellent coût et une assistance technique localisée, et ont été introduits par lots chez les principaux fabricants d'onduleurs.

2. Six mécanismes de défaillance exclusifs du MLCC de stockage d’énergie photovoltaïque

2.1 Défaillance de vieillissement à long terme sous polarisation CC haute tension

Phénomène de défaillance : après 3 à 5 ans de fonctionnement de la centrale électrique, la capacité du filtre du bus CC de l'onduleur est considérablement atténuée, l'ondulation de sortie augmente, l'efficacité de conversion diminue et des dommages à l'IGBT se produisent dans les cas graves.

Analyse du mécanisme : La tension du bus CC des onduleurs photovoltaïques et des PCS de stockage d'énergie peut atteindre 1 500 V. Le MLCC est soumis à une polarisation CC haute tension à long terme, et les domaines électriques des diélectriques ferroélectriques de classe II sont progressivement polarisés et bloqués sous l'action d'un champ électrique, le nombre de domaines électriques réversibles continue de diminuer et la constante diélectrique diminue progressivement, se manifestant par une atténuation irréversible de la capacité. Pour un diélectrique X7R ordinaire sous une polarisation de tension nominale de 80 %, l'atténuation de capacité sur 1 000 heures peut atteindre plus de 15 %, et l'atténuation de fonctionnement à long terme sur 25 ans dépasse de loin la marge de conception. Dans le même temps, la polarisation haute tension accélérera la migration des ions à l’intérieur du diélectrique et les défauts aux limites des grains se développeront progressivement, conduisant finalement à un court-circuit de claquage diélectrique.

2.2 Défaillance due à la fatigue thermique due à des cycles de température extérieurs étendus

Phénomène de défaillance : pour les centrales électriques situées sur des plateaux et des déserts présentant de grandes différences de température diurnes, le taux de défaillance des équipements est nettement plus élevé que celui des zones douces, et les pannes éclatent de manière concentrée en hiver et en été.

Analyse du mécanisme : les équipements extérieurs subissent des cycles de température quotidiens, avec des températures basses allant jusqu'à -40 ℃ en hiver et des températures internes élevées du châssis jusqu'à 85 ℃ en été, et certains équipements scellés dépassent même 100 ℃. Sous des cycles de température répétés, la différence des coefficients de dilatation thermique entre le corps en céramique, la borne métallique et le substrat PCB génère une contrainte de cisaillement périodique, conduisant progressivement à un pelage de l'interface du terminal et à des microfissures de fatigue du corps en céramique. Après la propagation d'une fissure, cela entraînera un décalage de capacité et une augmentation des fuites, conduisant éventuellement à un circuit ouvert ou à une panne. Plus l'amplitude des cycles de température est grande et plus il y a de cycles, plus le taux de défaillance est rapide.

2.3 Défaillance du brouillard salin et de la corrosion industrielle

Phénomène de défaillance : Pour les centrales électriques situées autour des zones côtières et industrielles, des anomalies fonctionnelles par lots surviennent après 2 à 3 ans de fonctionnement des équipements. Le démontage montre que les bornes MLCC sont noircies, blanchies, avec un placage écaillé et une déconnexion par corrosion des électrodes.

Analyse du mécanisme : les gaz corrosifs tels que les ions chlorure dans l'atmosphère côtière et le sulfure d'hydrogène/dioxyde de soufre dans les zones industrielles pénètrent à l'intérieur par les canaux de dissipation thermique des équipements et adhèrent à la surface du condensateur sous condensation. Les bornes nickel-étain ordinaires à trois couches ont des pores microscopiques. Une fois que le milieu corrosif a pénétré dans la couche de placage, il réagit avec l'électrode d'argent interne pour générer du sulfure d'argent et du chlorure d'argent à haute résistance, conduisant progressivement à une défaillance du contact de l'électrode et à un circuit ouvert. Dans le même temps, la corrosion s'étendra de la borne vers l'intérieur du corps en céramique, provoquant un risque de rupture de surface. Cette défaillance présente de fortes caractéristiques de lots et constitue le principal type de défaillance MLCC dans les centrales électriques côtières.

2.4 Échec de claquage par impact d'impulsion de commutation IGBT

Phénomène de défaillance : des pannes occasionnelles en court-circuit se produisent dans le MLCC de l'étage de puissance des onduleurs et des PCS, accompagnées d'un grillage de l'IGBT, se produisant principalement dans les modèles à haute puissance et à haute fréquence de commutation.

Analyse du mécanisme : les actions de commutation IGBT à grande vitesse génèrent des pics de tension abrupts et des impacts d'impulsions avec un dv/dt extrêmement élevé. Les diélectriques MLCC ordinaires ont une faible résistance aux impulsions et l'intensité du champ électrique local transitoire dépasse le seuil de claquage diélectrique, provoquant un court-circuit de claquage instantané. Dans le même temps, les impulsions à haute fréquence provoqueront un échauffement par perte diélectrique, qui se superposera à la température ambiante élevée pour réduire davantage la tension de claquage, formant ainsi un cercle vicieux. Pour les MLCC avec des spécifications de tension de tenue CC ordinaires, la tension de tenue aux impulsions ne représente que 20 % à 40 % de la tension de tenue CC. Si les paramètres d'impulsion sont ignorés lors de la sélection, des pannes sont très susceptibles de se produire.

Condensateurs électrolytiques en aluminium traversants MP50V10M5X11

Onduleurs haute tension CBB81

Condensateur en céramique de sécurité évalué 6KV 10KV 1NF 25KV

2.5 Vibration continue et rupture de fissuration sous contrainte lors de l'installation

Phénomène de défaillance : les onduleurs haute puissance avec refroidissement par ventilateur et équipements muraux extérieurs présentent des pannes occasionnelles après plusieurs années de fonctionnement, aucune anomalie lors des tests statiques et une récurrence des pannes dans un environnement vibratoire.

Analyse du mécanisme : le fonctionnement des ventilateurs de refroidissement génère des vibrations continues à basse fréquence, qui sont transmises à la carte PCB via les pièces structurelles. Les MLCC de grande taille ont un poids propre élevé, et les joints de soudure et le corps en céramique supportent des contraintes de cisaillement alternées, ce qui entraîne des microfissures de fatigue après une accumulation à long terme. Dans le même temps, la déformation du PCB lors de l'installation de l'équipement et du verrouillage des vis introduira des contraintes mécaniques, et l'impact pendant le transport produira également des fissures cachées. Ces microfissures se referment à l'état statique avec des performances électriques normales ; ils s'ouvrent sous l'effet de vibrations ou de changements de température, provoquant des fuites et un décalage des paramètres, rendant le défaut difficile à dépanner et à localiser.

2.6 Surtension de foudre et panne de surtension du réseau

Phénomène de défaillance : après un orage, des dommages aux équipements de lots se produisent dans la centrale électrique et les points de défaillance sont principalement des courts-circuits de panne du circuit de filtrage frontal et de protection contre la foudre MLCC.

Analyse du mécanisme : les équipements photovoltaïques extérieurs sont directement confrontés au risque de surtensions induites par la foudre, et le côté réseau présentera également une surtension transitoire causée par la commutation de charge et les courts-circuits. Bien qu'il existe des dispositifs de protection contre la foudre tels que des varistances et des TVS à l'avant, ces dispositifs ont un délai de réponse et des impulsions de surtension résiduelles seront toujours appliquées au MLCC arrière. Le MLCC ordinaire a une faible tolérance aux surtensions et le diélectrique se brise instantanément sous des impulsions à haute énergie, provoquant des défauts de court-circuit et même des accidents de sécurité tels qu'un incendie et une explosion de machine.

3. Évaluation des performances et de la sélection du MLCC de stockage d’énergie photovoltaïque

4. Solutions de sélection MLCC standardisées pour les équipements de stockage d'énergie photovoltaïque à quatre cœurs

4.1 Scénario d’onduleur photovoltaïque : conditions triplement difficiles de haute tension, haute fréquence et extérieur

Modèles couverts : onduleurs string, onduleurs centraux, micro-onduleurs

Points faibles principaux : bus CC haute tension 1 500 V, impulsions de commutation haute fréquence IGBT, cycles de température extérieurs étendus, corrosion par poussière de sable au brouillard salin, durée de vie de conception de 25 ans.

Spécifications de sélection :

• Filtrage du bus CC/circuits de stockage d'énergie : sélectionnez la série X8R haute tension à faible atténuation de polarisation spécifique au PV, avec déclassement de tension ≥ 3 fois, tension nominale couvrant 1 kV ~ 3 kV ; adopter des bornes épaissies résistantes à la sulfuration du nickel, une structure de terminaison souple en option pour les gros emballages ; formule diélectrique optimisée pour la polarisation CC, avec une atténuation de capacité ≤ 10 % sous 80 % de tension nominale, garantissant que la capacité répond toujours aux exigences de conception après 25 ans de vieillissement à long terme ;
• Circuits d'absorption/d'amortissement des pointes IGBT : sélectionnez la série C0G/X8R à tension de tenue aux impulsions élevées, conception de petit boîtier à faible ESL, disposée à proximité des broches IGBT ; d'excellentes caractéristiques haute fréquence, peuvent absorber efficacement les pointes de commutation, réduire l'impact dv/dt, protéger les appareils électriques et réduire en même temps le rayonnement EMI ;
• Circuits de filtrage de sortie CA : sélectionnez la série X8R/C0G haute fréquence à faible perte, résistez à la tension d'impulsion CA, la faible perte diélectrique réduit le chauffage ; s'adapter au réseau de filtres LCL de l'onduleur pour garantir la qualité de la puissance de sortie ;
• Circuits d'échantillonnage et de référence de la carte de contrôle : 100 % adoptent le diélectrique de haute précision C0G, précision ±1 %/±5 % en option, dérive de température ±30 ppm/℃, vieillissement presque nul ; assurer l'échantillonnage de tension et de courant et la précision du suivi MPPT, améliorer l'efficacité globale de la production d'énergie ;
• Alimentation auxiliaire et circuits d'entraînement : série X8R à large température, paramètres stables dans toute la plage de température, garantissant un fonctionnement fiable des circuits de commande et des circuits d'entraînement.

4.2 Scénario de convertisseur bidirectionnel PCS de stockage d’énergie : contraintes bidirectionnelles et conditions de cyclage à long terme

Modèles couverts : PCS de stockage d'énergie, DC-DC bidirectionnel, machines tout-en-un de stockage d'énergie domestique

Points faibles principaux : contrainte de tension bidirectionnelle de charge et de décharge, conception haute fréquence, ondulation de courant importante côté batterie, fonctionnement ininterrompu à long terme, exigence de durée de vie coordonnée avec les batteries

Spécifications de sélection :

• Condensateurs de bus haute tension côté CC : adoptez la série X8R haute tension longue durée, excellente stabilité diélectrique sous contrainte de tension bidirectionnelle ; conception de formule anti-âge, atténuation de la capacité de polarisation à haute température de 1000 heures ≤ 3% ; correspondre au niveau de tension des systèmes de batterie LFP/ternaire, avec un déclassement de tension ≥ 3 fois ;
• Condensateurs de circuit résonant LLC : sélectionnez la série C0G/X8R haute fréquence à faible perte, valeur Q élevée, faible perte, fréquence de résonance précise et stable ; résister à une ondulation de courant importante, à un faible échauffement, garantissant l'efficacité de la conversion LLC ;
• Circuits de filtre côté batterie : combinaison X8R de grande capacité à faible ESR, faible chauffage sous une ondulation de courant importante ; caractéristiques de température optimisées pour garantir un effet de filtrage constant dans toute la plage de température ;
• Circuits de contrôle et d'échantillonnage EMS : condensateurs entièrement C0G de haute précision pour garantir un échantillonnage précis de la tension, du courant et de la température, fournissant un support de données fiable pour le système de gestion de l'énergie.

4.3 Scénario du système de gestion de batterie BMS de stockage d'énergie : haute précision, haute fiabilité et forte anti-interférence

Produits couverts : BMS de stockage d'énergie, unité d'acquisition de cellules, unité de contrôle principale, module d'acquisition haute tension

Points problématiques principaux : exigences de précision d'échantillonnage à haute tension, environnement de température étendu des blocs de batteries, exigences d'isolation à haute tension, dérive des paramètres de fonctionnement à long terme affectant la sécurité de la batterie.

Spécifications de sélection :

• Circuits d'échantillonnage de tension cellulaire : la ligne complète adopte des condensateurs de haute précision C0G, une qualité de précision de ± 1 %, un coefficient de température extrêmement bas ; éliminer fondamentalement l'écart d'échantillonnage causé par la dérive de température et le vieillissement, garantir la précision de l'estimation du SOC, éviter la surcharge et la décharge excessive de la batterie et améliorer la sécurité et la durée de vie de la batterie ;
• Circuits d'échantillonnage de courant et de conditionnement de signaux : condensateurs C0G à faible perte et haute linéarité, sans distorsion harmonique, garantissant des signaux d'échantillonnage précis des shunts et des capteurs à effet Hall ;
• Circuits d'isolation et de sécurité haute tension : sélectionnez un MLCC haute tension répondant aux exigences de sécurité, d'isolation élevée et de tension de tenue élevée, répondant aux exigences d'isolation renforcée ; Le diélectrique C0G présente des performances d'isolation stables à long terme sans risque de panne due au vieillissement ;
• Circuits de découplage et de filtrage de l'alimentation : série X8R à large température, paramètres stables dans une plage de température complète de -40 ℃ à 125 ℃, s'adaptant à l'environnement de température complexe des batteries.

4.4 Scénario de boîtier de combinaison et de suivi PV : fiabilité élevée dans un environnement extérieur difficile

Produits couverts : boîtiers de combinaison CC, boîtiers de combinaison intelligents, contrôleurs de suivi PV

Points faibles principaux : environnement d'exposition directe à l'extérieur, grande différence de température, humide et poussiéreux, nombreuses surtensions, coût de maintenance élevé

Spécifications de sélection :

• Circuits de filtrage d'entrée haute tension : série anti-vieillissement X8R haute tension, tension de tenue aux impulsions élevée, résistance à l'impact résiduel des surtensions de foudre ; bornes résistantes à la sulfuration, s'adaptant à un environnement atmosphérique extérieur complexe ;
• Circuits de surveillance et d'échantillonnage : condensateurs C0G de haute précision, aucune dérive des paramètres lors d'un fonctionnement extérieur à long terme, garantissant des données de surveillance précises du courant, de la tension et de la température ;
• Circuits de communication et d'interface : condensateurs de filtre C0G haute fréquence, suppriment les interférences de ligne, garantissent un RS485 stable et fiable, un support de ligne électrique et une communication sans fil ;
• Circuits de protection de l'alimentation électrique : MLCC résistant aux surtensions haute tension, combiné avec des TVS et des varistances pour former une protection à plusieurs niveaux, améliorant ainsi la capacité globale de protection contre la foudre de l'équipement.

5. Spécifications de conception de protection de fiabilité complète pour le stockage d'énergie photovoltaïque MLCC

5.1 Protection de conception électrique et déclassement

• Norme de déclassement de tension : déclassement de tension des circuits principaux du bus CC ≥ 3 fois ; Déclassement des circuits d'absorption et de pointe de l'IGBT ≥ 4 fois ; déclassement des circuits d'échantillonnage et de signal ≥ 2 fois ; en attendant, calculez la marge de tension de tenue aux impulsions pour garantir une marge de sécurité suffisante dans les pires conditions de surtension ;
• Norme de déclassement en température : la température de fonctionnement du noyau des condensateurs est contrôlée à moins de 80 % de la température diélectrique maximale ; la température de fonctionnement à long terme du diélectrique X8R ne doit pas dépasser 100 ℃ pour éviter un vieillissement accéléré à haute température ; les condensateurs proches des appareils de chauffage doivent être traités avec une isolation thermique ou une dissipation thermique ;
• Conception de la marge de capacité : compte tenu de la superposition de trois facteurs : atténuation de la polarisation CC, dérive de température et atténuation du vieillissement à long terme, réserve ≥ 30 % de marge pour la conception de la capacité du circuit principal afin de garantir que la capacité répond toujours aux exigences du circuit à la fin de la durée de vie de 25 ans ;
• Conception de filtrage dégradé : adopter une combinaison de gradient multi-capacité de « stockage d'énergie de grande capacité + filtrage de capacité moyenne + découplage haute fréquence de petite capacité » pour couvrir toute la bande de fréquence du courant continu à des centaines de MHz ; contrôlez le gradient de capacité adjacent dans les 10 fois pour éviter les pics d'anti-résonance.

5.2 Disposition des PCB et conception de la protection contre les contraintes

• Conception de ligne de fuite haute tension : pour le MLCC dans les circuits haute tension du système 1 500 V, la ligne de fuite entre les bornes et entre les bornes et la terre doit répondre aux exigences du degré de pollution 2, ≥ 8 mm ; augmenter encore la ligne de fuite ou l'isolation des fentes dans les zones très humides et très poussiéreuses ; évitez les perles de soudure résiduelles et les débris conducteurs sur la surface du condensateur pour éviter le contournement de la surface ;
• Évitement des contraintes mécaniques : Il est interdit de disposer les grands emballages MLCC de 0805 et supérieurs à moins de 5 mm autour des trous de vis, des points de fixation d'installation, des bords des panneaux et des lignes de dépannage ; la direction de la longueur du condensateur est perpendiculaire à la direction de flexion du PCB pour réduire la contrainte de flexion ; les condensateurs à gros boîtier préfèrent un processus de terminaison souple pour absorber les contraintes mécaniques et thermiques ;
• Disposition optimisée pour la dissipation thermique : les condensateurs haute tension et à grande ondulation sont tenus à l'écart des sources de chaleur telles que les IGBT, les inductances et les transformateurs, avec un espacement ≥ 5 mm ; des chemins de dissipation thermique uniformes sont conçus sur la carte d'alimentation pour éviter les points chauds locaux provoquant un vieillissement accéléré du condensateur ; la feuille de cuivre dans les circuits à courant élevé est suffisamment large pour réduire les pertes de cuivre par chauffage ;
• Optimisation de la disposition haute fréquence : les condensateurs d'absorption et les condensateurs de découplage sont aussi proches que possible des IGBT et des broches des puces, avec des vias à côté des plots pour réduire l'inductance parasite ; les circuits haute fréquence adoptent une conception de chemin le plus court et de zone de boucle minimale pour réduire le rayonnement EMI et les effets des paramètres parasites.

5.3 Conception de protection de l'environnement et des processus

• Protection du système anticorrosion : sélectionnez un MLCC épaissi résistant à la sulfuration de nickel au niveau de l'appareil et des bornes en métal précieux en option pour les scénarios de corrosion côtière importante ; sélectionner des substrats de PCB à faible teneur en soufre, des flux sans soufre et un mastic/mousse à faible teneur en soufre au niveau du matériau pour éliminer les sources de soufre endogènes ; concevoir une filtration au brouillard salin et des écrans anti-poussière au niveau structurel pour réduire l'entrée de fluides corrosifs ; pulvériser un revêtement conforme haute densité sur l'ensemble de la machine au niveau du processus, avec une épaisseur ≥ 50 μm, recouvrant complètement les bornes du condensateur et le corps en céramique pour former une protection d'isolation ;
• Conception de protection contre l'humidité et la condensation : l'équipement extérieur adopte une structure scellée, associée à des valves imperméables et respirantes pour équilibrer la pression de l'air interne et externe et réduire la condensation causée par la différence de température ; le tableau de commande est pulvérisé avec un revêtement conforme pour éviter les fuites et la corrosion causées par le film d'eau de condensation ; des dispositifs de chauffage et de déshumidification peuvent être ajoutés dans les zones à basse température et à forte humidité ;
• Contrôle du processus SMT : mettre en œuvre strictement la courbe de température de soudage par refusion, taux de chauffage ≤ 2 ℃/s, température maximale 245 ± 5 ℃, pour éviter les contraintes internes du corps en céramique causées par un chauffage et un refroidissement rapides ; contrôlez avec précision le volume de soudure avec un pochoir pour éviter les contraintes de traction causées par une soudure inégale aux deux extrémités ; remplacer la rupture manuelle par le dépannage par routage pour réduire les contraintes mécaniques liées au dépannage ;
• Contrôle du processus d'assemblage : utilisez un tournevis dynamométrique pour verrouiller les vis, serrez en diagonale pour éviter une déformation excessive du PCB ; concevoir un support uniforme multipoint pour une installation complète de la machine afin de réduire la transmission des contraintes des vibrations de fonctionnement au PCB.

6. Cas pratiques de rectification de centrales photovoltaïques réelles

Cas 1 : Rectification d'une défaillance due à la corrosion par brouillard salin MLCC pour les onduleurs d'une centrale photovoltaïque côtière

Contexte du projet : Une centrale photovoltaïque de 100 MW sur la côte est a connu des pannes concentrées d'onduleurs de branche après 3 ans de fonctionnement, avec un taux de réparation de 15 %. Le démontage a révélé qu'un grand nombre de bornes MLCC dans les circuits de bus CC et d'interface de communication étaient en circuit ouvert noirci et corrodé, ce qui a été déterminé comme une défaillance par corrosion par sulfuration au brouillard salin.

Analyse des causes profondes : le schéma original adoptait un terminal MLCC ordinaire à trois couches de qualité industrielle avec une faible résistance à la corrosion ; l'atmosphère côtière a une teneur élevée en ions chlorure et en sulfures, des gaz corrosifs sont inhalés lors de la dissipation thermique de l'équipement et la corrosion des électrodes est accélérée après la condensation ; pendant ce temps, les substrats et les mastics de PCB contiennent du soufre, et la corrosion endogène se superpose à la corrosion exogène, atteignant le seuil de défaillance en 3 ans environ.

Schéma de rectification : 1. Remplacez tous les MLCC du tableau de commande par des séries résistantes à la sulfuration spécifiques à Barron PV, et les barres omnibus haute tension adoptent des bornes à haute résistance à la corrosion avec une barrière épaissie en nickel + palladium, réussissant le test de brouillard salin de 240 h ; 2. Remplacer les substrats de PCB à faible teneur en soufre et les revêtements de protection sans soufre pour éliminer les sources de corrosion endogènes ; 3. Optimiser le processus de revêtement conforme, adopter un revêtement sélectif + une double protection globale par pulvérisation pour assurer une encapsulation complète des condensateurs ; 4. Ajoutez du coton filtre au brouillard salin à l'entrée d'air pour réduire l'entrée de particules corrosives.

Effet de mise en œuvre : Le prototype rectifié a réussi le test accéléré au brouillard salin de 2 000 heures sans anomalie ; après 2 ans de remplacement et d'exploitation sur site, le taux de défaillance par corrosion est tombé à 0, réduisant considérablement les coûts d'exploitation et de maintenance et prolongeant la durée de vie de l'ensemble de la machine.

Cas 2 : Rectification de l'ondulation excessive causée par le vieillissement à haute température des onduleurs dans la centrale photovoltaïque du Plateau

Contexte du projet : Pour une centrale photovoltaïque dans le nord-ouest de Gobi, l'ondulation de sortie des onduleurs a dépassé la norme en été à haute température, l'efficacité de la production d'électricité a diminué et certains équipements ont été arrêtés par protection contre les surtensions. Les tests ont révélé que la capacité du bus CC MLCC était sérieusement atténuée et que l'atténuation de certains condensateurs dépassait 40 %.

Analyse des causes profondes : le schéma original adoptait des condensateurs haute tension X7R ordinaires, qui présentaient une grande atténuation de capacité sous polarisation CC ; la température interne élevée du châssis a atteint plus de 90 ℃ en été, superposée à une polarisation haute tension, le vieillissement diélectrique a été accéléré et la capacité a continué à s'atténuer ; après 2 ans de fonctionnement, la capacité effective réelle était inférieure à la moitié de la valeur nominale, et la capacité de filtrage et de stockage d'énergie était sérieusement insuffisante, entraînant une ondulation excessive.

Schéma de rectification : 1. Tous les condensateurs du bus CC sont remplacés par la série X8R à faible polarisation spécifique Barron PV, avec une atténuation de capacité ≤ 8 % sous une polarisation de tension nominale de 80 % et ≤ 3 % pour un vieillissement à haute température de 1 000 heures ; 2. Optimisez la conception du déclassement de tension, sélectionnez des spécifications de tension de tenue plus élevées, réduisez le rapport entre la tension de fonctionnement réelle et la tension nominale de 70 % à 50 %, réduisant ainsi davantage le taux de vieillissement ; 3. Optimisez la disposition des condensateurs, éloignez-vous de la zone de chauffage IGBT, augmentez les chemins de dissipation thermique et réduisez la température de l'environnement de fonctionnement.

Effet de mise en œuvre : dans des conditions de température élevée à pleine charge, l'ondulation revient à la plage de conception et l'efficacité globale de conversion est augmentée de 0,8 % ; le test de vieillissement accéléré vérifie que l'atténuation de capacité est inférieure à 15 % pendant le cycle de vie de 25 ans, répondant ainsi aux exigences de conception ; le problème de la perte de production d'énergie de la centrale électrique est complètement résolu.

Condensateurs MP0402R225K010TAAA Mlcc

MP0603X104K050TAAA MLCC

MP0603X105K025TAAA Condensateur Mlcc

MP0805X104K050TAAA Condensateur Mlcc

7. Liste de contrôle ultime pour la sélection et la vérification du MLCC de stockage d'énergie photovoltaïque

Mu Sen Conclusion

La durée de vie ultra longue de 25 ans et l'environnement extérieur difficile des équipements de stockage d'énergie photovoltaïque déterminent que la sélection MLCC ne peut pas suivre les normes industrielles ordinaires et doit être mise à niveau de « correspondance des paramètres » à « adaptation de la fiabilité du cycle de vie complet ». Le vieillissement polarisé à haute tension, la corrosion au brouillard salin, les cycles de température étendus, l'impact des impulsions et la fatigue due aux vibrations sont les cinq principaux modes de défaillance du MLCC dans les scénarios de stockage d'énergie photovoltaïque. La simple amélioration du niveau de tension de tenue ne peut pas résoudre complètement le problème, et une conception systématique est requise à partir de plusieurs dimensions telles que la formule diélectrique, le processus de terminal, la conception du déclassement, la protection de la configuration et la protection de l'environnement.

Barron MLCC est profondément engagé dans le nouveau domaine de l'énergie depuis de nombreuses années et a construit une matrice complète de produits MLCC dédiée au stockage d'énergie photovoltaïque, couvrant la série X8R haute tension à faible atténuation de polarisation, la série C0G de haute précision, la série résistante à la corrosion par sulfuration, la série résistante aux contraintes à terminaison souple et la série résistante aux surtensions à haute impulsion, avec des spécifications complètes de boîtiers de 0402 à 2225 et une tension de 6,3 V à 3 kV. La série complète a passé avec succès une vérification de fiabilité étendue de 2 000 heures et peut répondre aux exigences de conception à durée de vie ultra longue de 25 ans. Les produits ont été introduits par lots chez les principaux fabricants d'onduleurs, de stockage d'énergie et de BMS, avec une comparaison de fiabilité par rapport aux marques internationales de premier rang et des avantages de coûts complets significatifs.

Nous sommes équipés d'une équipe technique professionnelle pour le nouveau secteur de l'énergie, qui peut fournir des services complets tels que l'optimisation gratuite de la sélection de la nomenclature, l'analyse des défaillances, des programmes de tests de fiabilité personnalisés et une assistance au débogage des prototypes, aidant ainsi les clients à réaliser rapidement une conception de haute fiabilité et la mise en œuvre de la substitution nationale, et promouvant conjointement le développement de haute qualité de l'industrie du stockage d'énergie photovoltaïque.

Vous pouvez envoyer la nomenclature et les exigences en matière de conditions de fonctionnement de votre équipement de stockage d'énergie photovoltaïque pour obtenir un programme de sélection MLCC gratuit et exclusif, un rapport d'évaluation de la durée de vie de 25 ans et un support de test d'échantillons.