IGBT模块在高湿环境应用失效的预防措施（下篇）

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。

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。

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：

1. 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。

2. 加热器：维持最低工作温度，保持低相对湿度。

3. 通风口：防止柜内压力过高。

4. 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。

5. 除湿机：冷凝柜内潮气并排出。   

1. 进出风口：提供柜内空气对流，建议配合安装滤网。   

2. 循环风扇：避免柜内有热点形成。   

3. 加热器：维持最低工作温度，保持低相对湿度。

4. 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。

5. 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。

参考文献：

[1] www.bjx.com.cn

[2] A Wintrich, U Nicolai, W Tursky, et al.Application Manual Power Semiconductors[M]. Verlag: ISLE, 2015.

[3] Paul Drexhage, “Effect of Humidity and Condensation on Power Electronics Systems”