Воздействие влажности и конденсации на работу силовых электронных систем
Общие положения
При обсуждении вопросов, касающихся окружающей среды, в которой работает электронная система, необходимо различать внешнюю макросреду и микросреду вблизи или внутри силового полупроводникового модуля (рис. 1).
Внешняя макросреда (рис. 1, п. 1), как правило, хорошо изучена, доступны регулярные отчеты о погоде, а также стандарты, определяющие ее характеристики (температура, влажность, давление и т. д.). В противоположность этому микросреды внутри (рис. 1, п. 4) и вокруг (рис. 1, п. 3) силового модуля определены менее четко, хотя очевидно, что они зависят от свойств внешней макросреды и режимов работы электронной системы (мощность, режим охлаждения и т. д.).
Стандарт IEC 60721-3-3 [3] определяет допустимые макроусловия, в которых будет установлено электрооборудование (рис. 1, п. 1, 2). Хотя этот документ не может быть применен непосредственно к полупроводниковым компонентам, он дает четкое определение внешней среды, от которой необходимо защищать электронную систему (например, с помощью герметичного корпуса). Кроме того, климатограммы IEC обеспечивают четкое понимание взаимосвязи между температурой и влажностью, независимо от того, в какой среде наблюдаются эти факторы.
На рис. 2 показан общий пример такой климатограммы, где температура воздуха и относительная влажность указаны по основным осям, а абсолютная влажность представлена в виде семейства кривых. Используя эти три переменные, можно определить предпочтительную область эксплуатации электронной системы, за пределами которой возрастает риск отказа компонентов или сокращается их срок службы. Разработчик должен понимать, как данные факторы влияют друг на друга, и выбирать режимы в пределах предпочтительной рабочей области.
Влажность
Общеизвестно, что вода в ее самой распространенной форме нарушает работу электрических цепей из-за своей электропроводящей и коррозионной природы. Менее известно влияние, которое вода оказывает на электронику в газообразном состоянии (водяной пар). Его присутствие в воздухе называется влажностью, которая определяется двумя основными параметрами:
- абсолютная влажность (AH): плотность водяного пара в воздухе, выражаемая в граммах/кубический метр (г/м3);
- относительная влажность (RH): отношение парциального давления водяного пара к давлению насыщенного пара, выражаемое в процентах (%).
Абсолютная и относительная влажность взаимосвязаны и являются функциями температуры и давления. Как правило, в технических спецификациях используется величина RH, поскольку ее легко измерить с помощью датчиков. Однако, как будет показано далее, относительная влажность для данного объема воздуха может изменяться, даже если количество молекул воды остается постоянным.
Конденсация
Когда водяной пар, присутствующий в воздухе, переходит из газообразного состояния в жидкое, на поверхностях образуется конденсат (или иней при низких температурах). Температура, при которой происходит конденсация, называется «точкой росы» и зависит от относительной влажности. На рис. 3 показана связь между показателем RH, температурой воздуха и точкой росы, определенной с помощью уравнения Магнуса. Если температура внутри некоторого объема воздуха (или объекта) опускается ниже этой точки при фиксированных значениях давления и влажности, то в данной области начинается образование конденсата.
Стандарт IEC использует термин «климатограмма» (аналогичный термин, применяемый в метеорологии, имеет другой смысл) для определения допустимых значений температуры и влажности. Климатограммы, подобно психрометрическим диаграммам, показывают взаимосвязь между температурой воздуха, его абсолютной и относительной влажностью. Они также могут быть использованы для нахождения точки, в которой происходит конденсация.
В качестве типового примера рассмотрим помещение с температурой воздуха +20 °С и относительной влажностью 60%. На поверхности бутылки с охлажденной жидкостью (например, до +5 °С), взятой из холодильника и принесенной в комнату, будут конденсироваться капельки воды. Это происходит потому, что температура воздуха, находящегося в непосредственной близости от холодной бутылки, опускается ниже точки росы (+12 °С, рис. 3). В действительности охлаждение любой частицы воздуха в этой области до температуры ниже +12 °C приведет к конденсации находящейся внутри влаги.
Подобный эффект может наблюдаться в микросреде (рис. 1, п. 4) внутри силового модуля. Климатограмма IEC позволяет определить, когда произойдет конденсация [4, 8], и иллюстрирует вариации параметра RH даже в том случае, если количество водяного пара остается неизменным (рис. 4). Для гипотетического полупроводникового модуля делаются следующие предположения:
- Объем модуля (и внутренний объем воздуха) фиксирован (VState1 = VState2 = VState3).
- Модуль проницаем (величина ntotal является переменной).
- Давление определяется внешней средой (pState1 = pState2 = pState3).
- Абсолютная влажность неизменна (AHState1 = AHState2 = AHState3; nwater = const, объем фиксирован).
В данном сценарии при уменьшении температуры парциальное давление водяного пара немного снижается в соответствии с законом идеального газа (p × V = n × R × T). Однако давление насыщенного пара падает резко, и, поскольку относительная влажность представляет собой соотношение этих двух значений, RH увеличивается.
Стандарты
В настоящее время не существует общепринятого стандарта, который четко определял бы допустимые параметры микросреды вокруг полупроводникового модуля. Производители элементной базы проверяют устойчивость компонентов к отдельным видам воздействий (например, относительной влажности, температуре), но не могут четко определить полную зону безопасной окружающей среды. С другой стороны, производители оборудования с использованием силовых модулей для определения допустимой рабочей макросреды полагаются на стандарты, такие как упомянутый IEC 60721-3-3 (рис. 1, п. 1, 2). Соответственно, они должны выбрать рабочие режимы, гарантирующие, что внутренняя микросреда изделия находится далеко от точки конденсации и/или пределов квалификационных тестов.
Практически любое современное электронное оборудование предназначено для эксплуатации по IEC 60721-3-3, климатический класс 3K22 (ранее 3K3). Помимо значений температуры и давления, класс 3K22 определяет допустимый диапазон RH 5–85%, при этом образование конденсата не допускается. Кроме того, абсолютная влажность ограничена на уровне 25 г/м3. В то время как стандартный класс 3K22 соответствует температурам +5…+40 °C, в спецификациях современных силовых модулей обычно указывается больший диапазон (например, –40…+85 °C), что создает расширенную рабочую зону, выделенную синим цветом на рис. 5. Соответственно, в технической документации климатический класс указывается как «модифицированный 3K22» или «3K22 с расширенным температурным диапазоном».

Рис. 5. Допустимые макросреды для электронного оборудования в соответствии с IEC 60721-3-3 класс 3K22 стандартный (выделен красным цветом) и расширенный (выделен синим цветом)
Измерения
Относительная влажность измеряется непосредственно с помощью гигрометра. Современные электронные промышленные приборы содержат емкостный или резистивный сенсор, который может быть откалиброван с точностью до ±2% RH. Однако у некалиброванных или дешевых коммерческих образцов погрешность, как правило, выше ±10%, поэтому необходимо проявлять осторожность при интерпретации результатов. Портативные приборы обычно имеют датчик температуры и рекламируются как регистраторы температуры/влажности или термогигрометры.
Поскольку на влажность внутри промышленных шкафов нередко оказывают влияние внешние погодные факторы, рекомендуется измерять как внутреннюю, так и внешнюю относительную влажность в течение дней или недель, чтобы определить воздействие погодных условий и режимов эксплуатации.
Влияние климатических факторов на работу силовых электронных систем
Влажность
Большинство промышленных силовых полупроводниковых модулей имеет пластмассовый корпус, в котором устанавливается изолирующая подложка с чипами. Внутренний объем заливается мягким гелем на силиконовой основе (soft mould, или sil-gel) для улучшения изоляционных свойств. Конструктивно такие модули не являются герметичными (и газонепроницаемыми), поэтому атмосферные газы могут проникнуть в них через технологические отверстия, силовые клеммы и т. д. Воздух попадает в мягкие гели за счет диффузии (рис. 6), молекулы воды распространяются в геле таким же образом, как и в воздухе, хотя и гораздо медленнее (≈ 0,04 мм/с @ +18 °C, 1 мм/с @ +100 °C) [2]. В результате появляются следующие негативные эффекты:
- Снижение блокирующего напряжения: когда температура теплоотвода уменьшается, воздух, диффундирующий внутри силикона, удерживает меньше влаги. Молекулы воды будут скапливаться на более холодных поверхностях, термически связанных с радиатором, таких как подложка, терминалы и полупроводниковые кристаллы. Кроме того, молекулы воды притягиваются к заряженным поверхностям полупроводников из-за их дипольной характеристики и оказываются в их электрическом поле (рис. 7). Это вызывает искажение линий электрического поля в краевых областях полупроводниковых элементов, что может привести к дальнейшему ухудшению блокирующей способности.
- Коррозия кристаллов: эффект коррозии пассивирующего слоя полупроводниковых чипов хорошо известен [7]. Она происходит при наличии приложенного напряжения в условиях влажности и в конечном итоге приводит к пробою и повреждению полупроводника.
Коррозия является одним из факторов временного старения, которое исследуется при испытаниях силовых модулей на надежность. Ранее этот тест назывался «High Humidity High Temperature Reverse Bias (H3TRB)» («Обратное смещение при повышенной влажности и температуре») и проводился при напряжении 80 В, независимо от параметров модуля. Использование преобразователей мощности во влажном климате (например, офшорные ветроэнергетические установки) в сочетании с уменьшением размеров новых поколений чипов потребовало ужесточения условий испытаний, которые с 2018 года проводятся при более высоких напряжениях (80% от номинального). Соответственно, название теста поменялось на «High Voltage High Humidity High Temperature Reverse Bias (HV-H3TRB)» («Обратное смещение при высоком напряжении, высокой влажности и высокой температуре»).
Подобные эффекты, как правило, приводят к катастрофическим последствиям, причем на основе характера повреждений бывает очень трудно установить, что именно влажность является первопричиной выхода из строя. Отметим, что на воду, находящуюся в жидком состоянии, гель реагирует совершенно по-другому. Тесты, проведенные производителями силиконового геля, показали, что при его погружении в жидкость уровень абсорбции очень низкий (< 0,5%).
Для выявления аварийных ситуаций, связанных с воздействием влажности, необходимо анализировать условия работы системы в момент отказа. Перечисленные далее признаки могут свидетельствовать о наличии влаги:
- отказы при низкой нагрузке или ее отсутствии;
- отказы цепи, находящейся под напряжением, но без коммутации (например, тормозной каскад, зарядное устройство в ИБП, бустер в конвертере солнечной батареи);
- отказы, происходящие утром или вечером;
- отказы, возникающие при вводе в эксплуатацию или при запуске после длительного простоя.
Конденсация
Если водяной пар конденсируется и переходит в жидкое состояние, то его воздействие на электронные модули становится более очевидным. Наличие капель воды на радиаторе свидетельствует о том, что внутри силового модуля происходит конденсация влаги (рис. 8а). Лучше всего контролировать наличие конденсата во время работы, так как потом вода может испариться и никаких опасных признаков уже не будет.

Рис. 8.
а) Следы присутствия жидкости на радиаторе модуля SKiiP;
б) следы присутствия жидкости на изоляции DC-шины
Воздействие жидкости на открытые проводники, например ламинированные шины звена постоянного тока, резко снижает напряжение изоляции. Доказательством того, что этот процесс имел место, являются «водяные знаки», особенно заметные на грязных поверхностях (рис. 8).
Влияние условий эксплуатации
Влажность — естественное природное явление, которое на макроуровне варьируется в зависимости от местоположения и погодных условий. В микросреде (например, шкаф с оборудованием) величина RH зависит от температуры и давления, соответственно, конструкция шкафа должна проектироваться с учетом этих двух факторов.
Считается, что на Земле есть особо влажные регионы (например, тропики). Однако даже в относительно умеренном климате могут наблюдаться области с повышенной влажностью, что зависит от высоты местности, близости водоемов и сезонных эффектов. Независимо от этого задачей конструктора является обеспечение соответствующего микроклимата внутри оборудования и непосредственно рядом с ним.
Силовые электронные системы, перевозимые на большие расстояния или хранящиеся в течение длительного времени, будут накапливать водяной пар внутри упаковки, что может привести к катастрофическим последствиям при подаче напряжения. Для небольших сборок хорошим решением становятся вакуумные пакеты из алюминиевого композитного материала, содержащие сиккативы (осушители), способные уменьшить уровень влажности. Также необходимо соблюдение специальных процедур при вводе изделия в эксплуатацию, более подробно об этом рассказано далее.
Изменения относительного давления и температуры
При описании макросреды наиболее важными факторами считаются температура и влажность, поэтому влиянием атмосферного давления на работу конкретной системы, как правило, можно пренебречь. Однако в герметизированных корпусах (например, с классом защиты IP65) изменение внутреннего давления воздуха (обычно связанное с изменением температуры) может привести к повышению RH. Соответственно, возникает необходимость в решении следующих вопросов:
- Как минимизировать или ограничить возможность образования водяного пара внутри шкафа?
- Как исключить падение температуры внутри шкафа ниже точки росы и последующее образование конденсата?
В герметичных системах перепады давления воздуха могут быть уменьшены с помощью вентиляционных отверстий и клапанов.
Одной из причин разницы температур внутри и вне электронной системы является ее функционирование. Работа силовых модулей и других компонентов повышает температуру воздуха в шкафу с оборудованием. Внезапное изменение условий эксплуатации может привести к тому, что радиатор будет остывать намного быстрее, чем воздух во внутреннем пространстве, таким образом создаются условия для охлаждения теплоотвода ниже точки росы. Поэтому очень важно учитывать любое снижение мощности, в том числе:
- падение нагрузки;
- переход в дежурный режим;
- неожиданное прерывание работы — например, из-за неисправности системы.
Отметим, что риск также присутствует при смене дня и ночи. Если температура воздуха, поступающего на вход системы охлаждения, падает с наступлением вечера, радиатор может остыть ниже точки росы (рис. 3). Механизмы описанных выше сценариев поясняются на рис. 9.
Импульсный режим работы модуля
Специалистами SEMIKRON было проведено тестирование специально подготовленных компонентов с сенсором RH, установленным на DBC-подложке рядом с чипами (под гелем). Силовой модуль на радиаторе с принудительным воздушным охлаждением помещен в камеру (рис. 10) с фиксированной температурой воздуха +25 °C и относительной влажностью 85%. На диод, ближайший к датчику влажности, подаются импульсы тока фиксированной длительности, за которым следуют периоды охлаждения, позволяющие модулю вернуться в исходное состояние (по T и RH). Для исследования влияния различных градиентов температуры используются импульсы, отличающиеся по амплитуде.
На рис. 11 показано, что величина RH падает при нагреве прибора под действием приложенного импульса мощности. По мере охлаждения относительная влажность растет и в конечном итоге превышает начальное значение, а степень этого превышения зависит от изменения температуры. Если начальное значение RH достаточно высокое (например, RH = 85%), то существует вероятность, что такое превышение приведет к образованию конденсата (RH = 100%) внутри модуля.
В зависимости от тока нагрузки силиконовый гель внутри модуля нагревается и расширяется (рис. 12), поглощая больше водяного пара. Чем он теплее, тем в большей степени происходит расширение и поглощение пара. Этот эффект также можно увидеть на рис. 11, где абсолютная влажность внутри геля выше при токе нагрузки 18 А (40 г/м3), чем при 12 А (30 г/м3) или 6 А (25 г/м3).
Конструкция силового модуля должна обеспечивать максимально эффективный тепловой поток от чипа до радиатора. Одна из характеристик этого потока — тепловая постоянная времени. Если кристалл охлаждается с постоянной времени намного меньшей, чем константа диффузии силиконового геля (определяющая, насколько быстро гель может выделять влагу в окружающую среду), то существует риск падения температуры чипа ниже точки росы (аналогично примеру с охлажденной бутылкой, рис. 3). Другими словами, кристалл в этом случае охлаждается быстрее, чем окружающий его гель. В конечном счете избыточная влага будет выделяться из геля в окружающую среду до наступления равновесного состояния между внутренней влажностью/температурой в модуле и внешней влажностью/температурой в климатической камере.
Исходная абсолютная влажность на рис. 13 такая же, как и на рис. 11, однако начальная температура в этом случае составляет +40 °C при RH = 40%. Величина АН одинакова при конечной температуре каждого импульса тока. Тем не менее здесь по-прежнему наблюдается превышение влажности, коррелирующее с током нагрузки, однако оно меньше, чем в предыдущем случае. Вывод из этого следующий: перед первым пуском изделия после его транспортировки, хранения или отключения питания желательно прогреть силовые модули (например, путем нагрева радиатора). Это приводит к снижению относительной и абсолютной влажности и способствует продлению срока службы системы.
Градиенты температуры в шкафу
В зависимости от условий эксплуатации или особенностей конструкции конденсация может происходить на определенных участках оборудования. Наибольшему риску подвержены следующие элементы:
- холодные впускные отверстия;
- впускные коллекторы и трубопроводы охлаждающей жидкости;
- наружные (металлические) стенки шкафа;
- радиаторы и компоненты, имеющие с ними тепловую связь;
- зоны с низким уровнем воздушного потока по отношению к другим частям шкафа;
- крупногабаритные металлические детали с большой тепловой постоянной времени.
Если капли влаги, образовавшиеся на верхней панели и стенках шкафа вследствие конденсации, попадают на силовые модули, электронные схемы и шины, это приводит к коротким замыканиям и повреждению компонентов.
Описанные механизмы повышения влажности могут происходить в системе перед ее доставкой и установкой. При перевозке силовых электронных блоков на большие расстояния или их длительном хранении водяной пар накапливается внутри упаковки, что в дальнейшем ведет к катастрофическим последствиям при подаче напряжения питания. По этой причине в транспортной упаковке должны быть предусмотрены вентиляционные отверстия или осушители, о чем и пойдет речь далее. Кроме того, для удаления любых водяных паров, имеющихся в системе, рекомендуется предварительная просушка перед включением.
Технологические приемы решения проблемы влажности
Существует два основных подхода к решению проблемы влажности и/или предотвращению конденсации влаги внутри корпуса (рис. 14):
- Снижение АН: удаление водяного пара (сушка) с помощью осушителей, сиккативов или путем длительного нагрева с циркуляцией воздушного потока.
- Снижение RH: повышение температуры воздуха путем нагрева (использование нагревателей или выбор рабочей точки системы): контроль температуры отдельных компонентов (например, радиаторов), чтобы избежать падения температуры ниже точки росы.
Очевидно, что проблемы влажности лучше всего решать на этапе проектирования, однако некоторые из описанных далее методов могут быть реализованы уже после установки системы. В сочетании с использованием нагревателей и осушителей в полевых условиях недорогим и эффективным решением является контроль охлаждающей среды (воздух или жидкость) в зависимости от условий нагрузки.
Управление вентилятором (воздушное охлаждение)
В системах с принудительным воздушным охлаждением температура радиатора регулируется изменением потока поступающего воздуха. Датчик температуры устанавливается на теплоотвод (еще лучше, если он имеется внутри модуля), скорость вращения вентилятора меняется таким образом, чтобы недопустимо холодный воздух не проходил через ребра радиатора.
При температуре ниже порогового значения вентилятор полностью выключен (или работает на минимальной скорости). После достижения заданного порога он запускается, увеличивает скорость по мере повышения температуры и включается на полные обороты при высоких выходных токах. Если преобразователь блокируется при полной нагрузке (например, вследствие срабатывания защиты), охлаждение следует немедленно выключить, чтобы избежать нежелательной ситуации, описанной ранее (рис. 9). Преимущество такого достаточно дорогостоящего метода состоит в снижении теплового стресса для полупроводников и вентилятора. Кроме того, при этом уменьшается его мощность потребления, что повышает общую эффективность системы.
Существует простой гистерезисный метод, когда система охлаждения включается от биметаллического датчика, установленного на теплоотводе. Основным недостатком здесь является быстрый износ вентилятора, особенно если в нем использован АС-мотор с пусковым конденсатором. Не менее важно, что отсутствие точного контура регулирования приводит к быстрой смене полного включения и прерывания воздушного потока, что обусловливает ускоренное старение полупроводниковых приборов из-за больших градиентов температуры. Например, дополнительное изменение температуры кристалла всего на 10 °C снижает стойкость модуля к термоциклированию в 4–5 раз, поэтому применение такого метода управления, как правило, не рекомендуется.
Управление потоком тосола (жидкостное охлаждение)
Температуру охлаждающей жидкости Tcoolant следует выбирать таким образом, чтобы поверхность радиатора не остывала ниже точки росы. В идеале теплосток всегда должен быть теплее, чем воздух во внутреннем пространстве шкафа. Наибольшее распространение получили два метода контроля Tcoolant (рис. 15):
- Использование трехканального термостатического клапана:
- при низких температурах (обычно уровень уставки находится в диапазоне +25…+30 °C) охлаждающая жидкость течет через байпасный контур, а не через теплообменник. При достижении заданного значения клапан открывается, и система старается поддерживать температуру на заданном уровне. При повышении мощности нагрузки охлаждающая жидкость полностью проходит через теплообменник.
- Нагрев охлаждающей жидкости, обеспечивающий:
- уменьшение локальной относительной влажности внутри или вблизи силового модуля после ввода в эксплуатацию или при запуске после длительного простоя;
- предотвращение образования конденсата на радиаторе, когда температура его поверхности ниже, чем у воздуха внутри шкафа.
При использовании эффективного теплообменника и/или при работе на полной мощности температура на входе обычно на несколько градусов выше, чем в окружающей среде. При высокой температуре воздуха внутри шкафа в условиях низкой нагрузки и большой влажности может потребоваться дополнительный нагрев охлаждающей жидкости для предотвращения конденсации.
Предварительный прогрев перед запуском
Эксперименты с силовыми модулями, проведенные в среде с влажностью 85%, показали, что использование охлаждающей жидкости, имеющей температуру хотя бы на 5 °C выше, чем у окружающего воздуха, позволяет снизить показатель RH. На рис. 16 приведены результаты соответствующих тестов при использовании тосола с температурой +40 °С. Измерение влажности производится под силиконовым гелем на поверхности DBC-подложки.

Рис. 16. Эксперимент: использование предварительно нагретой охлаждающей жидкости для снижения влажности
Как видно из графиков, стационарное значение RH достигается в течение 24 ч, показанные характеристики примерно соответствуют обратной экспоненциальной кривой. На основе результатов испытаний и известных свойств силиконового геля сформированы следующие рекомендации:
- Для систем, где существует риск воздействия высокой влажности во время транспортировки или хранения (перед вводом в эксплуатацию), рекомендуется использовать охлаждающую жидкость с температурой, превышающей температуру окружающего воздуха более чем на 5 °C (минимум +25 °C). Циркуляцию тосола следует начинать за 24 ч до включения силового напряжения, если оно превышает 50 В DC.
- Такая же рекомендация относится к введенным в эксплуатацию системам, установленным на открытом воздухе или в помещениях с высокой влажностью, которые были в нерабочем состоянии более 8 ч. Циркуляцию тосола следует начинать за 1 ч до включения силового напряжения, если оно превышает 50 В DC.
Применение нагревателей в шкафах
Как уже было отмечено, при фиксированной абсолютной влажности повышение температуры окружающего (сухого) воздуха снижает величину RH. Для использования этого фактора выпускаются промышленные нагреватели, предназначенные для установки в шкаф (рис. 17). Они состоят из резистивного нагревательного элемента, термостата и вентилятора и выполняют следующие функции:
- Снижение относительной влажности во внутреннем пространстве шкафа после начального ввода в эксплуатацию.
- Выведение влаги из замкнутой системы с помощью односторонних мембран. Отметим, что нагрев сам по себе не сушит воздух, так как молекулы воды остаются во внутреннем объеме, они должны быть удалены из системы воздушным потоком или другими средствами (например, с помощью сиккативов).
- Предотвращение образования конденсата на внутренних стенках и верхней панели шкафа.
- Предотвращение образования конденсата на внутренних металлических частях при повышении температуры внешней среды.
- Предварительный нагрев внутреннего пространства шкафа до включения системы (если рабочая температура ниже минимально допустимого значения) и защита работающей электроники при низкой температуре внешней среды.
- Поддерживание температуры активных компонентов на уровне, превышающем температуру окружающей среды (в режиме ожидания).

Рис. 17. Два нагревателя мощностью 800 Вт, установленных в основании стандартного шкафа 2000×800×600 мм
Если включение и выключение системы производится при заданном уровне температуры (например, с помощью термостата), то нагреватели могут управляться от гигростата, что предотвращает падение температуры воздуха внутри корпуса ниже точки росы. Они должны размещаться в нижней части шкафа и иметь достаточную мощность для нагрева внутреннего пространства до определенного уровня при минимальной температуре внешней среды.
Осушители воздуха
Непосредственно снизить влажность воздуха можно с помощью осушителя, состоящего из охлаждаемого змеевика, по которому прогоняется влажный воздух. Влага, находящаяся в воздухе, конденсируется на змеевике и затем сливается или откачивается из системы. Существуют осушители в промышленном исполнении, которые отличаются от коммерческих аналогов следующими показателями:
- Компактные размеры для сушки заданного объема.
- Наличие дренажного шланга или насоса для непосредственной откачки влаги из шкафа.
- Внутренний термостат/гигростат для контроля и взаимодействия с регулятором влажности/температуры шкафа.
- Пониженное рабочее напряжение для подключения к блоку питания имеющейся системы управления (например, 24 В DC).
- Надежная конструкция, обеспечивающая длительную работу без обслуживания и большое количество рабочих циклов.
- Наличие монтажных элементов (DIN-рейка, кронштейны).
Осушители, как правило, размещаются в нижней и боковой части шкафа, а дренажный шланг прокладывается по стенке или полу для вывода влаги наружу. Необходимо убедиться в том, что обеспечивается достаточная циркуляция воздуха за счет вентилятора осушителя, а также внутренних вентиляторов шкафа.
Такие приспособления зачастую рассматриваются как дорогостоящее дополнение к системе, однако в преобразователях высокой мощности (500 кВт и более) их стоимость составляет лишь малую часть. Следует учесть, что расходы на устранение отказов, вызванных влагой, могут быть значительно выше.
Вентиляторы
Для небольших герметичных корпусов, где существует необходимость выравнивания давления, выпускаются специализированные вкладные и винтовые вентиляционные клапаны [5]. Они содержат полупроницаемую гидрофобную мембрану, пропускающую пар, но отделяющую капли воды и другие загрязнения (рис. 18). Поскольку водяные пары могут проходить через эти клапаны, их применение не обязательно способствует уменьшению абсолютной влажности. Тем не менее они выполняют важную функцию, состоящую в исключении перепада давления, следствием которого может стать повышение относительной влажности внутри корпуса.
Сиккативы
Сиккативы — это гигроскопичные материалы, способные впитывать и накапливать влагу из воздуха. Они обычно производятся из силикагеля (или других природных материалов, таких как глина), упакованного в проницаемую мембрану, пропускающую влажный воздух. Поскольку сиккативы накапливают водяной пар, их возможности ограниченны, а эффективность резко падает по мере насыщения. По этой причине гигроскопичные материалы обычно используются только при транспортировке опечатанных контейнеров для улавливания остаточных водяных паров. В открытых системах они быстро насыщаются и перестают работать. Как правило, сиккативы содержат визуальную цветовую индикацию количества накопленной влаги (например, голубой в сухом состоянии и розовый во влажном). Такие осушители могут быть повторно использованы после нагрева и удаления влаги.
Снятие напряжения DC-шины
Подача напряжения ускоряет процесс коррозии металлизации полупроводниковых чипов. Многие силовые электронные преобразователи работают с длительными периодами простоя, когда на DC-шине присутствует высокое напряжение, но система не обрабатывает никакой энергии. Разряд конденсаторов звена постоянного тока в режиме ожидания позволяет увеличить срок службы изделия в условиях высокой влажности, когда активизируется механизм коррозии. Для этого обычно используется контактор, который также управляет процессом предварительного заряда емкостей, поэтому цепь «заряд-разряд» необходимо учитывать на этапе проектирования системы.
Рекомендации по проектированию
Состояние внешней макросреды (и связанные с ней уровни загрязнения, температуры и влажности) является основным фактором при разработке конструкции силового шкафа и определении степени его герметизации. Для примера рассмотрим закрытый шкаф с уровнем защиты IP65 или выше по стандарту IEС [6]. Это означает, что система защищена от попадания пыли и слабых водяных струй, распыляемых с любого направления. Однако это также означает, что воздухообмен между внутренним пространством шкафа и внешней средой ограничен и, следовательно, могут наблюдаться различия в температуре и давлении. И наоборот, для открытой системы подразумевается свободный обмен воздуха внутри шкафа с внешней средой. Температура, влажность и давление в этом случае будут практически одинаковыми.
«Идеальная» герметизированная система
На рис. 19 показана конструкция «идеального» герметичного шкафа, содержащего все возможные средства снижения влажности. Как правило, на практике требуются только некоторые из указанных элементов.
- Теплообменник «воздух-вода» или «воздух-воздух»: охлаждает воздух во внутреннем пространстве без обмена внутреннего и наружного воздуха. Также обеспечивает циркуляцию внутри шкафа для предотвращения образования горячих или холодных зон.
- Нагреватель: поддерживает низкую относительную влажность и минимальную рабочую температуру.
- Клапан: предотвращает рост давления воздуха внутри шкафа выше внешнего атмосферного давления.
- Климат-контроль: блок (например, PLC или часть системного контроллера), осуществляющий мониторинг внутренней влажности, температуры воздуха и радиатора и управляющий нагревателем и вентиляторами по мере необходимости.
- Осушитель: конденсирует влагу, имеющуюся во внутреннем пространстве шкафа, и удаляет ее наружу.
«Идеальная» открытая система
На рис. 20 показана конструкция «идеального» открытого шкафа, содержащего все возможные средства снижения влажности. Как правило, на практике требуются только некоторые из указанных элементов.
- Входные и выходные отверстия: положение выбирается для обеспечения перекрестного потока. Могут содержать вентилятор
(с фильтром) на входе или на выходе. - Циркуляционный вентилятор: обеспечивает движение воздуха для предотвращения образования горячих или холодных зон.
- Нагреватель: поддерживает низкую относительную влажность и минимальную рабочую температуру. Необходимо убедиться в том, что все компоненты нагреты до нужного состояния до начала поступления внешнего охлаждающего воздуха, поскольку некоторые детали (например, радиаторы) имеют высокую тепловую массу и требуют больше времени для достижения равновесия.
- Климат-контроль: блок (например, PLC или часть системного контроллера), осуществляющий мониторинг внутренней влажности, температуры воздуха и радиатора и управляющий нагревателем и вентиляторами по мере необходимости.
- Критические зоны (!): внешние стенки шкафа, воздухозаборники и радиаторы являются критическими зонами конструкции с высоким риском образования конденсата, особенно когда воздух внутри шкафа становится намного теплее, чем в окружающем пространстве. В наиболее сложных случаях может потребоваться применение специальных капельных экранов для предотвращения попадания влаги на токонесущие элементы. В системах с жидкостным охлаждением впускной штуцер (холодный) должен располагаться ниже выходного штуцера (теплого), чтобы избежать попадания воздуха внутрь радиатора. Такое решение имеет дополнительное преимущество, состоящее в том, что влага с подверженного конденсации входного отверстия не попадает на силовые модули.
Следует отметить, что в обеих рекомендованных конструкциях канал охлаждения радиатора отделен от остальной части шкафа (рис. 19б и 20б). Часто используется конфигурация, показанная на рис. 21, где охлаждаемая сборка целиком размещается внутри шкафа и все компоненты и радиатор обдуваются одним и тем же воздухом. Такое решение имеет следующие недостатки:
- Прокачка большого объема воздуха увеличивает вероятность загрязнения твердыми частицами (пыль, грязь), которые оседают на печатных платах и электрических соединителях, сокращая пути токов утечки и ухудшая изоляционные свойства. Добавление впускных фильтров помогает решить проблему, но при этом уменьшается эффективность охлаждения, и они быстро загрязняются (зачастую такие фильтры чистятся нерегулярно или вообще удаляются обслуживающим персоналом).
- Образование конденсата, критическое для радиаторов и входов/выходов воздушных каналов, в этом случае напрямую угрожает чувствительным к влаге компонентам системы (печатные платы, электрические соединения), поскольку они находятся в одном пространстве с радиатором.
- По сравнению с ситуацией на рис. 20б больший объем воздуха приносит пропорционально больший объем влаги, усиливая риск образования конденсата на входах/выходах воздушных каналов. Кроме того, рост скорости потока приводит к увеличению перепадов температуры, в результате чего температура в некоторых областях может опуститься ниже точки росы.
- Средства климат-контроля (нагреватели) оказываются менее эффективными, поскольку объем нагреваемого воздуха становится более динамичным из-за высокой скорости потока.
Климатограммы IEC
Климатограммы IEC (В.3 из EN 60721-3-3 или А.7 из EN 50178) предлагают альтернативный способ расчета при возможности образования конденсата. Если температура и относительная влажность воздуха известны, то величину АН можно зафиксировать и определить температуру, при которой RH = 100% (точка росы).
В соответствии с рис. 22 в замкнутой системе при температуре окружающего воздуха +50 °C и относительной влажности 23% пересечение этих двух линий приходится на 20 г/м3 абсолютной влажности (толстая синяя линия). С понижением температуры кривая абсолютной влажности следует до верхней части графика, где величина RH составляет 100% (конденсация). Температура по оси x, совпадающая с этой точкой, является точкой росы (+22 °С).
Большинство силовых модулей SEMIKRON удовлетворяет требованиям климатического класса 3К22 (ранее 3К3) стандартов EN 60721-3-3, EN 50178. При существующих изоляционных свойствах (обусловленных путями токов утечки) они могут работать при уровне загрязнения 2, описанном в стандартах EN 50178 и EN 61800-5-1. Установка оборудования недопустима в местах, где возможно брызгообразование или конденсация влаги, способная ухудшить изоляционные свойства элементов преобразовательного устройства. При уровне загрязнения 2 образование конденсата возможно в течение короткого времени и только при обесточенной системе. Накопление остаточной влаги недопустимо при любых обстоятельствах.
Климатический класс 3К22 допускает работу аппаратуры в защищенных от погодных воздействий зонах, при максимальной допустимой относительной влажности RH = 85% и абсолютной 26 г/м3. В соответствии с климатограммой это означает, что, например, при температуре +40 °С величина RH не должна превышать 50%. Абсолютная влажность может меняться более чем на 1 г/м3 в течение суток (наибольшие изменения наблюдаются после выпадения осадков).
Заключение
Приборы силовой электроники подвержены воздействию воды как в жидком (конденсат), так и в газообразном (влажность) состоянии. В долгосрочной перспективе это может привести к коррозии металлизации чипов и выходу модуля из строя. Для предотвращения подобного сценария отказа необходимо понимать взаимосвязь между абсолютной влажностью, относительной влажностью и температурой окружающей среды (макросреда) и, соответственно, определять возможные характеристики среды внутри силового полупроводникового модуля (микросреда). На основании этого должны предприниматься определенные меры на этапе проектирования (например, управление потоком воздуха или жидкости, контроль температуры), а также при выборе рабочей точки, снижающие возможность повышения RH или конденсации влаги вблизи или внутри силового полупроводникового модуля.
- Drexhage P., Lamp J. Effect of Humidity and Condensation on Power Electronics Systems. SEMIKRON AN 16-001, 2016.
- Wintrich A., Nicolai U., Tursky W., Reimann T. Application Manual Power Semiconductors. 2nd revised edition. ISLE, Verlag, 2015.
- Part 3-3: Classification of groups of environmental parameters and their severities — Stationary use at weather protected locations. IEC Standard 60721-3-3 ed. 2.2, 2002.
- Buck A. L. New Equations for Computing Vapor Pressure and Enhancement Factor // Journal of Applied Meteorology. 1981. v 20. No. 12.
- Venting W. L. Gore & Associates, Inc. gore.com
- Degrees of protection provided by enclosures (IP Code), IEC Standard 60529:1989+A1:1999+A2:2013, 2013.
- Zorn C., Kaminski N. Temperature Humidity Bias (THB) Testing on IGBT Modules at High Bias Levels. CIPS, 2014.
- Guide to Meteorological instruments and Methods of Observation, WMO Standard (WMO-No. 8). Seventh edition. 2008.