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可靠性是如何煉成的

閱讀:710        發(fā)布時間:2014-4-17

太陽能發(fā)電系統(tǒng)通常直接暴露在室外環(huán)境工作,經(jīng)常遇到高溫、高寒、高濕、大風(fēng)沙,淋雨,鹽霧等惡劣氣象條件。華為可靠性實驗室業(yè)界*開發(fā)出了溫度、濕度、腐蝕性粉塵三綜合應(yīng)力試驗設(shè)備,使得逆變器產(chǎn)品在惡劣場景應(yīng)用具有的適應(yīng)能力。針對戶外應(yīng)用,采用高溫、淋雨、帶電溫循、外場暴露等加速方法,驗證了逆變器的長期可靠性,保證設(shè)備長期穩(wěn)定運行。

1.溫變影響機理

溫度不同,材料結(jié)構(gòu)的分子運動的速度不同,在不同材料之間就出現(xiàn)膨脹系數(shù)、熱傳遞性能的匹配差異,容易導(dǎo)致部件的卡緊件松弛。IGBT模塊和散熱器之間的熱不匹配、不同材料的收縮或膨脹率不同,可誘發(fā)部件的變形或破裂、表面涂層開裂、氣密性變差或泄漏、絕緣保護失效等。通常溫度變化慢,影響不明顯。急劇的溫度變化可能會暫時或*的影響設(shè)備的正常工作。

同時溫度的快速變化,容易在單板,機殼等位置形成凝露,結(jié)水或結(jié)冰等現(xiàn)象,這對逆變器的運行帶來較大的風(fēng)險。

2.溫變影響案例

影響逆變器溫度的主要是地域溫差、晝夜溫差、季節(jié)溫差、天氣變化如太陽、風(fēng)、雨等形成的溫差。同時自然散熱在熱源和器件、外殼之間也形成溫差,導(dǎo)致逆變器個部件之間形成溫差。在北方地區(qū)冬季溫度較低,很多地方低于-20℃,夏季溫度超過40℃,晝夜溫差20℃、季節(jié)溫差60℃,同時逆變器外殼的溫升在20~30℃,內(nèi)部IGBT的溫升在40~50℃。這樣容易在內(nèi)部腔體內(nèi)形成溫度差和各個部位的溫度差,并且溫度變化頻繁,這些對產(chǎn)品材料的選擇提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。

此外早晚開機功率輸出,突變的陣雨及惡劣的天氣變化,溫變速率大,容易在一些部件上形成凝露,這也將影響逆變器的安全運行。

3.應(yīng)對解決方案

產(chǎn)品設(shè)計上要考慮溫差的影響,同時考慮凝露風(fēng)險,如單板集中、涂覆保護、內(nèi)部風(fēng)扇散熱等多項措施。在驗證方面一般采用高溫淋雨試驗和PTC帶電溫循試驗來驗證整機性能,作為查找薄弱點的主要方法。同時通過外場暴露來補充驗證嚴酷環(huán)境的長期適應(yīng)能力。

設(shè)計中考慮溫度均衡、溫差分布連續(xù),防止內(nèi)部形成明顯的溫差,從而平衡內(nèi)部單板溫度。提高產(chǎn)品對溫變的適應(yīng)性。通過熱仿真的方法分析散熱器、內(nèi)部功率管、PCB單板器件等的熱數(shù)據(jù),設(shè)計中使熱平衡均勻分配。

4.試驗驗證方法

4.1高溫淋雨試驗

4.1.1高溫淋雨試驗的場景分析

淋雨試驗室在高溫、高濕的條件下,通過冷水直接沖淋試驗樣品,讓樣品外部快速降溫,此不僅是驗證試驗樣品的IP防護等級,同時也是驗證內(nèi)部凝露的風(fēng)險。一般通過內(nèi)部貼濕度試紙的形式來檢查內(nèi)部是否發(fā)生凝露。同時也可進行帶電試驗,檢測逆變器在高溫淋雨時是否得到保護或失效。

夏天在高濕特別是在熱帶雨林地區(qū)使用的時候模塊內(nèi)部容易有凝露情況發(fā)生,通過淋雨試驗來檢驗IP65等級的抗凝露能力,優(yōu)化內(nèi)部單板設(shè)計。正常使用時,模塊內(nèi)濕度變化非常小,而下雨天模塊內(nèi)的平均溫變速率已大于了4度/分鐘,加上風(fēng)速影響,溫變率會進一步加大。

4.1.2高溫淋雨試驗方法

在的淋雨箱保持10H,自動開啟噴水,同時溫箱開始降低,功率開始關(guān)閉,噴水0.5H后,開啟功率,10分鐘后,關(guān)閉噴水,在噴水快速降溫的過程中,關(guān)閉逆變器的功率,能提高溫變率,兼容逆變器內(nèi)部損耗影響。如此循環(huán)10次,時間168H。試驗過程中檢測功率運行機器情況。試驗完成后開箱檢查試紙情況。

4.2.1 快速溫循的場景分析

Power and Temperature Cycling Test:帶電溫循測試

帶電溫循測試的目的是為了暴露產(chǎn)品在不同溫度條件長期運行時的潛在缺陷。通過循環(huán)的快速溫變加速產(chǎn)品在實際的場景的高低溫的變化,驗證產(chǎn)品對環(huán)境的適應(yīng)性和長期可靠性的主要方法,特別是材料的熱匹配特性。通過帶電運行的方式,能實時的檢測逆變器狀態(tài)。

4.2.2 PTC帶電溫循試驗方法

業(yè)界大部分試驗zui多用300CYCLE。由于逆變器的特殊性,每天都在溫變,壽命期內(nèi)的溫變光晝夜溫變次數(shù)為365*25=9125次,采用1000CYCLE的加速驗證是必要。zui低溫度到-40℃,高溫到80℃,溫變15℃/分鐘,具體的參考下面的試驗時序曲線圖。

高溫和低溫停留時間根據(jù)產(chǎn)品自身的熱容特性選擇,對于密閉型較大樣品建議選擇1H以上。在高溫和低溫過程中,可進行多次的上電和下電試驗測試。驗證低溫和高溫啟動性能。在高溫段,可增加多次上電下電操作(間隔時間大于逆變器并網(wǎng)zui小間隙時間)。

試驗完成后可對內(nèi)部單板進行檢查,還要求對內(nèi)部單板,功率管進行檢查,看是否存在裂縫,焊接不良,器件的封裝和本體無開裂現(xiàn)象,塑料無明顯的變形等。檢查完成后可進行完成的電特性測試,分析試驗前后特性是否沒有明顯的劣化。

4.3 外場暴露

4.3.1外場暴露的場景分析

外場暴露可讓逆變器在太陽光照下直接照射,比專門的模擬光照試驗更接近實際場景。為了更好的模擬實際的現(xiàn)場,放到沿海地區(qū)爆曬不僅綜合驗證了抗潮濕、抗鹽霧、抗太陽暴曬能力。海南萬寧是一個比較理想的暴露外場,其有高溫、高濕、高鹽。此地區(qū)臺風(fēng)、降雨、高溫交變明顯。在夏天,zui高溫度到35℃,機器外殼到60℃以上,在突變的下雨條件下,外殼降低30℃。海邊外場是一個咸濕、淋雨、快速溫變綜合試驗,能更好的驗證產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

4.3.2外場暴露試驗方法

選擇海邊350M的試驗區(qū)。通過支架斜掛固定架,接入的模擬的PV直流源,監(jiān)控系統(tǒng),直接和電網(wǎng)并網(wǎng)。每周對逆變器的狀態(tài)進行巡檢,觀察其發(fā)電量,內(nèi)部溫度的主要參數(shù)。外場暴露是一個開放的資源環(huán)境,試驗站每天記錄濕度、溫度、分析鹽分含量。模擬逆變器運行,每天早上7:00開機,并網(wǎng)輸出功率,晚上7:00后待機,關(guān)閉功率輸出。試驗周期1年以上。
 

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