接上一篇討論了IGBT應(yīng)用的環(huán)境，在什么條件下算是高濕？而高濕環(huán)境又是如何影響IGBT的可靠性的。本篇內(nèi)容我們接著討論，從用戶端的角度，如何預(yù)防IGBT模塊因為高濕失效？

預(yù)防IGBT模塊因為高濕失效的措施

為了便于討論，我們將設(shè)備機(jī)柜分為密閉式和開放式兩類。密閉式的機(jī)柜指其具有IP65及以上防護(hù)等級。此類機(jī)柜能夠防止灰塵的進(jìn)入并且從外殼各方向噴水無有害影響。需要注意，密閉式機(jī)柜與外界的空氣交換非常有限，所以柜體內(nèi)外可能會產(chǎn)生溫度差和氣壓差。與之相反，開放式柜體與外部環(huán)境空氣自由流動，柜體內(nèi)外的濕度，溫度和氣壓都有可能達(dá)到平衡。

預(yù)防措施一：柜內(nèi)加熱裝置

如上一篇文章所述，如果絕對濕度恒定，升高的環(huán)境溫度會降低相對濕度。柜內(nèi)升溫可以通過市場上標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)柜體加熱器實現(xiàn)。一般柜體加熱器具備阻性加熱部件，恒溫器和空氣循環(huán)風(fēng)扇 ，加熱器可以用來：

試運行之后干燥機(jī)柜

配合單向滲透膜將濕氣從密閉式機(jī)柜排出

防止在柜頂及柜壁形成冷凝

防止外部溫度升高情況下柜內(nèi)金屬部件上形成冷凝

運行前預(yù)熱機(jī)柜，在低環(huán)境溫度條件保護(hù)電子器件

維持開關(guān)器件在待機(jī)時溫度高于環(huán)境溫度

除了簡單地設(shè)定固定溫度啟停，建議配合恒濕器來控制加熱器使得柜內(nèi)溫度總是高于露點溫度。加熱器應(yīng)該被裝配在機(jī)柜底部。加熱器的功率應(yīng)足夠在外部環(huán)境最低溫度時將柜內(nèi)升溫到設(shè)定值。

圖10：兩個裝配在柜體底部的800瓦加熱器

預(yù)防措施二：散熱器溫度控制

對于水冷系統(tǒng)，應(yīng)該控制冷卻液溫度使得散熱器表面溫度保持在凝露點溫度以上。更為理想的策略是保持冷卻液溫度高于柜體內(nèi)溫度。建議兩種可能的控溫方法（參考圖11）：

1.使用溫控三通閥

在溫度較低時（一般設(shè)定閾值為25℃至30℃），三通閥處于關(guān)閉狀態(tài)，冷卻液不經(jīng)外部空氣散熱器而是內(nèi)循環(huán)以免溫度被進(jìn)一步降低。在冷卻液溫度升高達(dá)到設(shè)定值，三通閥開始開啟，外部空氣散熱器環(huán)路開始部分按比例介入散熱，嘗試保持冷卻液溫度恒定。在更高功率及更高溫度時，三通閥完全開通，冷卻液全部流經(jīng)外部散熱器環(huán)路。

2. 使用冷卻液加熱器

通過引入額外的熱源，一方面可以利用水冷系統(tǒng)在設(shè)備長時間停機(jī)后進(jìn)行柜內(nèi)預(yù)熱，降低小環(huán)境相對濕度；另一方面可以避免柜內(nèi)溫度高于散熱器表面溫度導(dǎo)致的冷凝形成。

對于風(fēng)冷系統(tǒng)，可以通過調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)量的方式來控制散熱器溫度。這種方式需要監(jiān)控散熱器溫度并調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速來防止過低溫度的冷空氣通過散熱器翅片。散熱器上的測溫點需要盡量靠近IGBT模塊（更經(jīng)濟(jì)的辦法是使用IGBT模塊內(nèi)部溫度傳感器反饋的溫度）。當(dāng)監(jiān)測溫度低于設(shè)定閾值，風(fēng)扇完全不工作；當(dāng)散熱器溫度達(dá)到設(shè)定閾值，風(fēng)扇開始隨著溫度上升而調(diào)高轉(zhuǎn)速；在重載時風(fēng)扇工作在額定轉(zhuǎn)速狀態(tài)。這種控制策略成本較高，但是能夠有效降低功率半導(dǎo)體及風(fēng)扇的應(yīng)力。而且，在輕載時由于風(fēng)扇損耗較低系統(tǒng)的整體效率可能會有所提升。

預(yù)防措施三：系統(tǒng)啟動前預(yù)熱

在相對濕度85%環(huán)境中進(jìn)行的IGBT模塊試驗表明保持冷卻液（散熱器）溫度高于環(huán)境溫度5℃可以降低模塊內(nèi)部的相對濕度。

圖12展示了在高濕環(huán)境不同溫度下保持40℃冷卻液溫度時模塊內(nèi)部硅膠的相對濕度。

可以看出，模塊內(nèi)部硅膠的相對濕度在24小時內(nèi)可以降低到穩(wěn)定狀態(tài)。基于以上測試結(jié)果和硅膠特性，建議：

1.如果系統(tǒng)在運輸和存儲環(huán)節(jié)曾經(jīng)暴露在高濕環(huán)境中，首次上電運行前要控制冷卻液高于25℃且高于環(huán)境溫度至少5℃，預(yù)熱24小時。

2.如果系統(tǒng)調(diào)試后或因故障停機(jī)超過8小時，再次上電運前要控制冷卻液高于25℃且高于環(huán)境溫度至少5℃，預(yù)熱1小時。

預(yù)防措施四：系統(tǒng)啟動前預(yù)熱

降低空氣濕度最為直接的方法是使用除濕機(jī)。除濕機(jī)可以將柜內(nèi)空氣中的濕氣冷凝后排出。工業(yè)柜體除濕機(jī)一般配有滑軌，便于安裝在柜體底部或柜壁上。

除濕機(jī)相對成本比較高，但是在大功率系統(tǒng)（500kW+）成本中仍然只占極小比例。考慮到濕度導(dǎo)致的IGBT模塊失效（常常表現(xiàn)為嚴(yán)重?zé)龤В┏杀靖撸诟邼駪?yīng)用環(huán)境中配置除濕機(jī)是絕對必要的。

講了這么多預(yù)防措施，那么具體如何實施呢？最后我們分別以密閉式和開放式機(jī)柜為例做了參考設(shè)計，如圖13，14所示：

水風(fēng)換熱器：無需內(nèi)外空氣交換氣體下冷卻柜內(nèi)空氣。提供柜內(nèi)空氣循環(huán)避免熱點形成。

加熱器：維持最低工作溫度，保持低相對濕度。

通風(fēng)口：防止柜內(nèi)壓力過高。

環(huán)控裝置：監(jiān)控柜內(nèi)溫度，濕度，散熱器溫度并按策略調(diào)整加熱器，風(fēng)速。

除濕機(jī)：冷凝柜內(nèi)潮氣并排出。

進(jìn)出風(fēng)口：提供柜內(nèi)空氣對流，建議配合安裝濾網(wǎng)。

循環(huán)風(fēng)扇：避免柜內(nèi)有熱點形成。

加熱器：維持最低工作溫度，保持低相對濕度。

環(huán)控裝置：監(jiān)控柜內(nèi)溫度，濕度，散熱器溫度并按策略調(diào)整加熱器，風(fēng)速。

關(guān)鍵區(qū)域 (!)：當(dāng)柜內(nèi)溫度遠(yuǎn)高于外部空氣溫度時，柜壁，入風(fēng)口及散熱器等位置是冷凝發(fā)生的風(fēng)險點。必要時需要設(shè)計防護(hù)板以避免凝露直接滴落在IGBT模塊上。

隨著技術(shù)進(jìn)步，相信會有更多更有效的預(yù)防措施出現(xiàn)，賽米控也會對這一話題隨時保持關(guān)注，持續(xù)與我們的用戶分享。

審核編輯：湯梓紅