太陽(yáng)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(shí)驗(yàn)室業(yè)界首創(chuàng)開發(fā)出了溫度、濕度、腐蝕性粉塵三綜合應(yīng)力試驗(yàn)設(shè)備，使得逆變器產(chǎn)品在惡劣場(chǎng)景應(yīng)用具有卓越的適應(yīng)能力。針對(duì)戶外應(yīng)用，采用高溫、淋雨、帶電溫循、外場(chǎng)暴露等加速方法，驗(yàn)證了逆變器的長(zhǎng)期可靠性，保證設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

1.溫變影響機(jī)理

溫度不同，材料結(jié)構(gòu)的分子運(yùn)動(dòng)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(hù)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(huì)暫時(shí)或永久的影響設(shè)備的正常工作。

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

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(yáng)、風(fēng)、雨等形成的溫差。同時(shí)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(gè)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(shí)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(gè)部位的溫度差，并且溫度變化頻繁，這些對(duì)產(chǎn)品材料的選擇提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

此外早晚開機(jī)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(yùn)行。



圖1某西北地區(qū)一年中溫度變化曲線



圖2 實(shí)際出現(xiàn)結(jié)冰情況 



圖3 模擬可能淋雨的場(chǎng)景 



圖4 模擬濕塵腐蝕試驗(yàn)

3.應(yīng)對(duì)解決方案　　

產(chǎn)品設(shè)計(jì)上要考慮溫差的影響，同時(shí)考慮凝露風(fēng)險(xiǎn)，如單板集中、涂覆保護(hù)、內(nèi)部風(fēng)扇散熱等多項(xiàng)措施。在驗(yàn)證方面一般采用高溫淋雨試驗(yàn)和PTC帶電溫循試驗(yàn)來驗(yàn)證整機(jī)性能，作為查找薄弱點(diǎn)的主要方法。同時(shí)通過外場(chǎng)暴露來補(bǔ)充驗(yàn)證嚴(yán)酷環(huán)境的長(zhǎng)期適應(yīng)能力。

設(shè)計(jì)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(duì)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(jì)中使熱平衡均勻分配。



 圖5 內(nèi)外部風(fēng)道分析圖  



圖6  整機(jī)熱仿真分析

4.試驗(yàn)驗(yàn)證方法

4.1高溫淋雨試驗(yàn)

4.1.1高溫淋雨試驗(yàn)的場(chǎng)景分析

淋雨試驗(yàn)室在高溫、高濕的條件下，通過冷水直接沖淋試驗(yàn)樣品，讓樣品外部快速降溫，此不僅是驗(yàn)證試驗(yàn)樣品的IP防護(hù)等級(jí)，同時(shí)也是驗(yàn)證內(nèi)部凝露的風(fēng)險(xiǎn)。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(shí)也可進(jìn)行帶電試驗(yàn)，檢測(cè)逆變器在高溫淋雨時(shí)是否得到保護(hù)或失效。

夏天在高濕特別是在熱帶雨林地區(qū)使用的時(shí)候模塊內(nèi)部容易有凝露情況發(fā)生，通過淋雨試驗(yàn)來檢驗(yàn)IP65等級(jí)的抗凝露能力，優(yōu)化內(nèi)部單板設(shè)計(jì)。正常使用時(shí)，模塊內(nèi)絕對(duì)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(huì)進(jìn)一步加大。

4.1.2高溫淋雨試驗(yàn)方法

在專用的淋雨箱保持10H，自動(dòng)開啟噴水，同時(shí)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(shí)間168H。試驗(yàn)過程中檢測(cè)功率運(yùn)行機(jī)器情況。試驗(yàn)完成后開箱檢查試紙情況。



圖7  淋雨試驗(yàn)時(shí)序圖。



圖8 淋雨試驗(yàn)場(chǎng)景



圖9  淋雨試驗(yàn)前后內(nèi)部單板試紙比較

4.2PTC帶電溫循試驗(yàn)

4.2.1快速溫循的場(chǎng)景分析

PowerandTemperatureCyclingTest：帶電溫循測(cè)試

帶電溫循測(cè)試的目的是為了暴露產(chǎn)品在不同溫度條件長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)的潛在缺陷。通過循環(huán)的快速溫變加速產(chǎn)品在實(shí)際的場(chǎng)景的高低溫的變化，驗(yàn)證產(chǎn)品對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性和長(zhǎng)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(yùn)行的方式，能實(shí)時(shí)的檢測(cè)逆變器狀態(tài)。

4.2.2PTC帶電溫循試驗(yàn)方法

業(yè)界大部分試驗(yàn)最多用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(yàn)證是必要。最低溫度到-40℃，高溫到80℃,溫變15℃/分鐘，具體的參考下面的試驗(yàn)時(shí)序曲線圖。

高溫和低溫停留時(shí)間根據(jù)產(chǎn)品自身的熱容特性選擇，對(duì)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(jìn)行多次的上電和下電試驗(yàn)測(cè)試。驗(yàn)證低溫和高溫啟動(dòng)性能。在高溫段，可增加多次上電下電操作（間隔時(shí)間大于逆變器并網(wǎng)最小間隙時(shí)間）。

試驗(yàn)完成后可對(duì)內(nèi)部單板進(jìn)行檢查，還要求對(duì)內(nèi)部單板，功率管進(jìn)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(jìn)行完成的電特性測(cè)試，分析試驗(yàn)前后特性是否沒有明顯的劣化。



圖10  PTC試驗(yàn)時(shí)序曲線



圖11  PTC試驗(yàn)場(chǎng)景圖

4.3外場(chǎng)暴露

4.3.1外場(chǎng)暴露的場(chǎng)景分析

外場(chǎng)暴露可讓逆變器在太陽(yáng)光照下直接照射，比專門的模擬光照試驗(yàn)更接近實(shí)際場(chǎng)景。為了更好的模擬實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)，放到沿海地區(qū)爆曬不僅綜合驗(yàn)證了抗潮濕、抗鹽霧、抗太陽(yáng)暴曬能力。海南萬寧是一個(gè)比較理想的暴露外場(chǎng)，其有高溫、高濕、高鹽。此地區(qū)臺(tái)風(fēng)、降雨、高溫交變明顯。在夏天，最高溫度到35℃，機(jī)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(chǎng)是一個(gè)咸濕、淋雨、快速溫變綜合試驗(yàn)，能更好的驗(yàn)證產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

4.3.2外場(chǎng)暴露試驗(yàn)方法

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



圖12  海上試驗(yàn)平臺(tái)  



圖13  350M試驗(yàn)區(qū)逆變器外場(chǎng)暴露實(shí)驗(yàn)

5.總結(jié)

華為產(chǎn)品一直重視長(zhǎng)期可靠性，不僅要求產(chǎn)品按長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)，還在材料特性、熱分、材料的匹配等方面進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究，積累了豐富的工程設(shè)計(jì)和試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，華為具備世界一流的設(shè)備可靠性測(cè)試實(shí)驗(yàn)室。該實(shí)驗(yàn)室，擁有業(yè)界最全的產(chǎn)品全環(huán)境應(yīng)用場(chǎng)景的模擬測(cè)試能力，以及先進(jìn)的可靠性測(cè)試能力，包括氣候、機(jī)械、室外風(fēng)吹雨、太陽(yáng)輻射、結(jié)冰等全場(chǎng)景測(cè)試能力，領(lǐng)先HALT測(cè)試、加速灰塵腐蝕等可靠性能力。

任何華為的產(chǎn)品均需要經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量測(cè)試。無論在寒冷的北冰洋，還是酷熱的非洲，無論是海邊的高鹽霧環(huán)境，還是西北的沙漠地區(qū)，華為的產(chǎn)品經(jīng)受了自然界惡劣嚴(yán)格的考驗(yàn)，屹立不倒。

光伏逆變器方面不僅借鑒了我司無線產(chǎn)品全球室外應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，還專門研究了逆變器行業(yè)的獨(dú)特應(yīng)用環(huán)境。從設(shè)計(jì)、試驗(yàn)上保證了產(chǎn)品的長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠運(yùn)行。我們始終信奉一個(gè)理念，質(zhì)量是我們的生命，數(shù)據(jù)真實(shí)無情，服務(wù)客戶有情。通過這樣的千錘百煉，我們的產(chǎn)品應(yīng)用遍布全球，質(zhì)量也得到了客戶的廣泛好評(píng)。