如何预防IGBT模块因为高湿失效

接上一篇讨论了IGBT应用的环境，在什么条件下算是高湿？而高湿环境又是如何影响IGBT的可靠性的。本篇内容我们接着讨论，从用户端的角度，如何预防IGBT模块因为高湿失效？

 预防IGBT模块因为高湿失效的措施

为了便于讨论，我们将设备机柜分为密闭式和开放式两类。密闭式的机柜指其具有IP65及以上防护等级。此类机柜能够防止灰尘的进入并且从外壳各方向喷水无有害影响。需要注意，密闭式机柜与外界的空气交换非常有限，所以柜体内外可能会产生温度差和气压差。与之相反，开放式柜体与外部环境空气自由流动，柜体内外的湿度，温度和气压都有可能达到平衡。

预防措施一：柜内加热装置

如上一篇文章所述，如果绝对湿度恒定，升高的环境温度会降低相对湿度。柜内升温可以通过市场上标准的工业柜体加热器实现。一般柜体加热器具备阻性加热部件，恒温器和空气循环风扇  ，加热器可以用来：

试运行之后干燥机柜

配合单向渗透膜将湿气从密闭式机柜排出

防止在柜顶及柜壁形成冷凝    

防止外部温度升高情况下柜内金属部件上形成冷凝

运行前预热机柜，在低环境温度条件保护电子器件

维持开关器件在待机时温度高于环境温度    

除了简单地设定固定温度启停，建议配合恒湿器来控制加热器使得柜内温度总是高于露点温度。加热器应该被装配在机柜底部。加热器的功率应足够在外部环境最低温度时将柜内升温到设定值。

图10：两个装配在柜体底部的800瓦加热器

预防措施二：散热器温度控制

对于水冷系统，应该控制冷却液温度使得散热器表面温度保持在凝露点温度以上。更为理想的策略是保持冷却液温度高于柜体内温度。建议两种可能的控温方法（参考图11）：

1.使用温控三通阀

在温度较低时（一般设定阈值为25℃至30℃），三通阀处于关闭状态，冷却液不经外部空气散热器而是内循环以免温度被进一步降低。在冷却液温度升高达到设定值，三通阀开始开启，外部空气散热器环路开始部分按比例介入散热，尝试保持冷却液温度恒定。在更高功率及更高温度时，三通阀完全开通，冷却液全部流经外部散热器环路。

2. 使用冷却液加热器

通过引入额外的热源，一方面可以利用水冷系统在设备长时间停机后进行柜内预热，降低小环境相对湿度；另一方面可以避免柜内温度高于散热器表面温度导致的冷凝形成。

对于风冷系统，可以通过调节进风量的方式来控制散热器温度。这种方式需要监控散热器温度并调节风扇转速来防止过低温度的冷空气通过散热器翅片。散热器上的测温点需要尽量靠近IGBT模块（更经济的办法是使用IGBT模块内部温度传感器反馈的温度）。当监测温度低于设定阈值，风扇完全不工作；当散热器温度达到设定阈值，风扇开始随着温度上升而调高转速；在重载时风扇工作在额定转速状态。这种控制策略成本较高，但是能够有效降低功率半导体及风扇的应力。而且，在轻载时由于风扇损耗较低系统的整体效率可能会有所提升。

预防措施三：系统启动前预热

在相对湿度85%环境中进行的IGBT模块试验表明保持冷却液（散热器）温度高于环境温度5℃可以降低模块内部的相对湿度。

图12展示了在高湿环境不同温度下保持40℃冷却液温度时模块内部硅胶的相对湿度。

可以看出，模块内部硅胶的相对湿度在24小时内可以降低到稳定状态。基于以上测试结果和硅胶特性，建议：

1.如果系统在运输和存储环节曾经暴露在高湿环境中，首次上电运行前要控制冷却液高于25℃且高于环境温度至少5℃，预热24小时。

2.如果系统调试后或因故障停机超过8小时，再次上电运前要控制冷却液高于25℃且高于环境温度至少5℃，预热1小时。

预防措施四：系统启动前预热

降低空气湿度最为直接的方法是使用除湿机。除湿机可以将柜内空气中的湿气冷凝后排出。工业柜体除湿机一般配有滑轨，便于安装在柜体底部或柜壁上。

除湿机相对成本比较高，但是在大功率系统（500kW+）成本中仍然只占极小比例。考虑到湿度导致的IGBT模块失效（常常表现为严重烧毁）成本更高，在高湿应用环境中配置除湿机是绝对必要的。

讲了这么多预防措施，那么具体如何实施呢？最后我们分别以密闭式和开放式机柜为例做了参考设计，如图13，14所示：

水风换热器：无需内外空气交换气体下冷却柜内空气。提供柜内空气循环避免热点形成。

加热器：维持最低工作温度，保持低相对湿度。

通风口：防止柜内压力过高。

环控装置：监控柜内温度，湿度，散热器温度并按策略调整加热器，风速。

除湿机：冷凝柜内潮气并排出。   

进出风口：提供柜内空气对流，建议配合安装滤网。   

循环风扇：避免柜内有热点形成。   

加热器：维持最低工作温度，保持低相对湿度。

环控装置：监控柜内温度，湿度，散热器温度并按策略调整加热器，风速。

关键区域 (!)：当柜内温度远高于外部空气温度时，柜壁，入风口及散热器等位置是冷凝发生的风险点。必要时需要设计防护板以避免凝露直接滴落在IGBT模块上。 

随着技术进步，相信会有更多更有效的预防措施出现，赛米控也会对这一话题随时保持关注，持续与我们的用户分享。

审核编辑：汤梓红