如何預防IGBT模塊因為高濕失效

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

預防IGBT模塊因為高濕失效的措施

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

預防措施一：柜內加熱裝置

如上一篇文章所述，如果絕對濕度恒定，升高的環境溫度會降低相對濕度。柜內升溫可以通過市場上標準的工業柜體加熱器實現。一般柜體加熱器具備阻性加熱部件，恒溫器和空氣循環風扇 ，加熱器可以用來：

試運行之后干燥機柜

配合單向滲透膜將濕氣從密閉式機柜排出

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金屬部件上形成冷凝

運行前預熱機柜，在低環境溫度條件保護電子器件

維持開關器件在待機時溫度高于環境溫度

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

圖10：兩個裝配在柜體底部的800瓦加熱器

預防措施二：散熱器溫度控制

對于水冷系統，應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（一般設定閾值為25℃至30℃），三通閥處于關閉狀態，冷卻液不經外部空氣散熱器而是內循環以免溫度被進一步降低。在冷卻液溫度升高達到設定值，三通閥開始開啟，外部空氣散熱器環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，冷卻液全部流經外部散熱器環路。

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在設備長時間停機后進行柜內預熱，降低小環境相對濕度；另一方面可以避免柜內溫度高于散熱器表面溫度導致的冷凝形成。

對于風冷系統，可以通過調節進風量的方式來控制散熱器溫度。這種方式需要監控散熱器溫度并調節風扇轉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（更經濟的辦法是使用IGBT模塊內部溫度傳感器反饋的溫度）。當監測溫度低于設定閾值，風扇完全不工作；當散熱器溫度達到設定閾值，風扇開始隨著溫度上升而調高轉速；在重載時風扇工作在額定轉速狀態。這種控制策略成本較高，但是能夠有效降低功率半導體及風扇的應力。而且，在輕載時由于風扇損耗較低系統的整體效率可能會有所提升。

預防措施三：系統啟動前預熱

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

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

可以看出，模塊內部硅膠的相對濕度在24小時內可以降低到穩定狀態?；谝陨蠝y試結果和硅膠特性，建議：

1.如果系統在運輸和存儲環節曾經暴露在高濕環境中，首次上電運行前要控制冷卻液高于25℃且高于環境溫度至少5℃，預熱24小時。

2.如果系統調試后或因故障停機超過8小時，再次上電運前要控制冷卻液高于25℃且高于環境溫度至少5℃，預熱1小時。

預防措施四：系統啟動前預熱

降低空氣濕度最為直接的方法是使用除濕機。除濕機可以將柜內空氣中的濕氣冷凝后排出。工業柜體除濕機一般配有滑軌，便于安裝在柜體底部或柜壁上。

除濕機相對成本比較高，但是在大功率系統（500kW+）成本中仍然只占極小比例?？紤]到濕度導致的IGBT模塊失效（常常表現為嚴重燒毀）成本更高，在高濕應用環境中配置除濕機是絕對必要的。

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

水風換熱器：無需內外空氣交換氣體下冷卻柜內空氣。提供柜內空氣循環避免熱點形成。

加熱器：維持最低工作溫度，保持低相對濕度。

通風口：防止柜內壓力過高。

環控裝置：監控柜內溫度，濕度，散熱器溫度并按策略調整加熱器，風速。

除濕機：冷凝柜內潮氣并排出。

進出風口：提供柜內空氣對流，建議配合安裝濾網。

循環風扇：避免柜內有熱點形成。

加熱器：維持最低工作溫度，保持低相對濕度。

環控裝置：監控柜內溫度，濕度，散熱器溫度并按策略調整加熱器，風速。

關鍵區域 (!)：當柜內溫度遠高于外部空氣溫度時，柜壁，入風口及散熱器等位置是冷凝發生的風險點。必要時需要設計防護板以避免凝露直接滴落在IGBT模塊上。

隨著技術進步，相信會有更多更有效的預防措施出現，賽米控也會對這一話題隨時保持關注，持續與我們的用戶分享。

審核編輯：湯梓紅