光伏逆變器IGBT硅脂涂敷工藝研究

李冬陽

（上能電氣（寧夏）有限公司，寧夏 吳忠 751300）

我國是能源生產大國，也是一個能源消費大國。隨著太陽能電池技術不斷發展，太陽電池生產成本和光伏發電成本快速下降，在各項光伏政策的支持下，我國光伏發電市場繼續保持快速發展[1]。

IGBT 硅脂涂敷工藝是光伏逆變器生產的核心工序，導熱硅脂是其關鍵物料。導熱硅脂成分為硅油和填料，目前被廣泛應用于散熱器與IGBT 安裝面，其目的在于填補各器件安裝面與散熱器間的間隙，以取得更均勻、更有效的散熱效果，避免器件由溫度過高導致損壞。為保證導熱硅脂均勻分布在IGBT 上，其涂敷工藝至關重要[2]。改進涂敷工藝可以有效提高生產效率，降低生產成本，提高產品的競爭力，在保證質量的前提下降低導熱硅脂的黏度，提高導熱硅脂的均勻性，減少涂敷時間，提高產能，增加企業效益。產能較低會造成能源浪費并增加生產成本，可以通過降低涂敷硅脂的勞動強度來提高逆變器質量和生產效率，達到節能降耗的目的，這也是我公司逆變器開發工作的重中之重。該文采取調整導熱硅脂黏度的方法對光伏逆變器IGBT 硅脂涂敷工藝進行改進。

1 改進前IGBT 硅脂涂敷工藝存在的問題

光伏逆變市場競爭日益加劇，對高效光伏逆變器的生產提出了更高要求，功能測試穩定、電性能逆變效率高以及使用壽命長是光伏逆變器的發展趨勢。隨著市場競爭白熱化，高性能、低成本的逆變器成為眾多逆變器企業的研究和開發重點。

我公司光伏逆變器包括集散式、集中式和組串式系列，逆變功率不同，元器件規格即不同。市場上以集散式與組串式系列逆變器為主，該文以大功率集散式逆變器為研究對象。集散式逆變器硅脂涂敷工藝存在硅脂厚度不勻稱、涂敷難度大等問題，導致產品性能不穩定，經功率測試和滿載測試發現大量異常數據。

2 改進方案

IGBT 硅脂涂敷工藝相同的條件下，通過調整導熱硅脂黏度來確保導熱硅脂熱導率及熱阻值。熱導率是截面積為1m2的柱體沿軸向1m 距離且溫差為1K（1K ＝1℃）時的熱傳導功率，數值越大，表明該材料的熱傳遞速度越快且導熱性能越好。目前主流導熱硅脂的熱傳導系數均大于1.1W/m·K。導熱硅脂的均勻性決定導出的熱量，手動滾輪式涂覆不能保證導熱硅脂厚度均勻性分布，同時，手動滾輪式涂覆還要求員工操作技能及熟練程度高，因此采用機械硅脂涂覆機操作簡單，效率較高，均勻性也能得到保證。導熱硅脂熱阻值穩定，對硅脂黏度有一定要求，研發合適的硅脂黏度迫在眉睫。硅脂粘接在IGBT 與散熱器上的材料分布如圖1 所示。

圖1 硅脂粘接在IGBT 與散熱器上的材料分布

集散式逆變器是目前提出的一種新逆變形式，是聚集了集中式逆變器和組串式逆變器2 種逆變器優點的產物，并兼具集中式逆變器成本低和組串式逆變器發電量高等特點。集散式逆變器IGBT 硅脂涂敷工藝中使用的是鋼網硅脂涂敷機，硅脂黏度越大，硅脂涂敷越困難，成品率越低。同時，使用絲網工裝時，硅脂涂覆機絲網對硅脂黏度要求較高。與絲網工裝涂覆相比，鋼網工裝涂覆中的硅脂覆蓋散熱器均勻性更好。通過觀察及硅脂測厚儀測厚也可排除絲網工裝涂覆，優先選用鋼網工裝。硅脂厚度在25℃時的標準為80μm～120μm，試驗方案中的硅脂黏度設定為69Pa·s、60Pa·s和47Pa·s，分別測出熱導率為3.3W/m·K、3.6W/m·K 和3.4W/m·K，硅脂厚度為90μm、98μm 和86μm。調整方案見表1。

表1 硅脂黏度與涂敷厚度（80μm～120μm）成品率（25℃）

3 改進后的IGBT 硅脂涂敷工藝

根據調整方案1～3 試驗同規格、相同批量的逆變器，在IGBT 硅脂涂敷后進行數據對比。方案1 的IGBT 硅脂模塊成品率為97.82%，方案2 的IGBT 硅脂模塊成品率為99.24%，方案3 的IGBT 硅脂模塊成品率為97.36%。由此可知，方案2 硅脂黏度60Pa·s 對IGBT 硅脂涂敷工藝改善效果最佳，方案1 和3 雖然也可達到要求，但成品率低、浪費嚴重且生產裝配過程中硅脂涂敷工藝存在一定風險。

4 產品性能檢驗

4.1 常規厚度檢測

裝配IGBT 模塊前需要確保硅脂涂敷厚度、平面度等指標合格。硅脂涂敷使用全自動錫膏印刷機，厚度檢測使用電子焊膏厚度測試儀，以最大程度保證硅脂厚度及平面度。硅脂黏度改進前、后硅脂涂敷效果照片如圖2 所示。從圖2 可以看出，硅脂黏度調整后硅脂厚度及平面度比調整前有很大改善。

圖2 硅脂黏度改進前、后硅脂涂敷效果照片

4.2 安功測試

產品功能測試性能參數參考GB/T30427—2013 并網光伏發電專用逆變器技術要求和試驗方法。測試包括安全測試和功率測試，安全測試又包括絕緣電阻測試和絕緣強度（耐壓）測試。1）絕緣電阻測試：將所有短接線進行短接，要求閉合的開關操作到位。使用絕緣電阻測試儀UT-501A，輸入端“LINE”夾在短接后的端子即交流側斷路器銅排上，地線端“EARTH”夾在整機PE 銅排或機殼上。佩戴好絕緣手套，將量程打到1000V，按下“TEST”測試鍵（按下1 次，按鈕的背景燈為紅色，表示啟動），3s～5s 后電壓升至1000V DC 左右，測試時間為30s 左右，要求絕緣電阻不小于2MΩ。將絕緣電阻值記錄上傳，符合要求為通過，不符合要求為不通過。再次按下“TEST”測試鍵，按鈕的背景燈熄滅，表示停止并放電，最后將量程打到0V。2）絕緣強度（耐壓）測試：將耐壓測試儀TOS5301 輸出一端（紅線HIGH）夾在短接工裝即短接銅排上，另一端（黑線LOW）夾在整機PE 接地銅排或機殼上。打開耐壓測試儀開關，先按下STOP 鍵（按下STOP 進入READY）以關閉保護提示界面，調到DC 直流檔位，將最大漏電流上限設置為10mA，電壓設為2820V DC，上升時間為10s，持續測試時間為60s。按下START，耐壓測試儀顯示PASS 為通過，顯示FAIL 為不通過。結束后按STOP 鍵進行放電，然后關閉電源，將短接工裝上的夾子在機殼上觸碰一下進行放電，或者用電阻放電工裝放電。拔掉耐壓測試儀測試夾，將測試的耐壓漏電流值記錄在變流器流程卡反面。測試完畢后，拆除所有短接線，回復到初始狀態。3）功率測試：將測試柜和待測逆變器使用功率線纜連接，用RS232 串口線連接整機對外的232接口和調試電腦的任一USB 或RS232 端口。打開調試電腦上的后臺軟件，啟動燒錄程序。確定為單板燒錄程序后，調試成品測試機，進行開關狀態、單板狀態、散熱風機狀態、面板控制狀態及最重要的系統溫控模擬量檢測。以上測試都為“PASS”驗證通過后，將直流源端輸入電壓調整為100V、200V、300V、400V、500V、600V 和750V，PV 對地電壓、逆變電壓、逆變電流和并網電壓均符合測試設計要求，具體數據見表2。

表2 產品逆變器功能測試性能（25℃）

4.3 功率測試

產品功率測試性能參數參考GB/T30427—2013 并網光伏發電專用逆變器技術要求和試驗方法。IGBT 組件是逆變器的核心單元，IGBT 驅動發波檢測及系統配置檢測相當重要。1）示波器DSO-X3014A 設置。時間軸（水平軸）100μs/div，電壓幅值（垂直軸）5V/div，將示波器通道1 比率設為500 ∶1。2）高壓探頭TektronixP5200A 設置。將高壓探頭插在示波器1號通道，并將高壓探頭的比例設為500 ∶1。3）A、B、C 三相驅動波形測試。連接IGBT 測試工裝，分別找到3 塊X1 板上的GH、EH、GL、EL，將所有工裝勾根據標號依次勾在每塊板的測試點上，用高壓探頭正（紅）負（黑）鱷魚夾分別夾在A、B、C 三相驅動轉接板（X1）的GH、EH 上，確認高電壓為+15V，低電壓為-10V。將高壓探頭正（紅）負（黑）鱷魚夾分別夾在A、B、C 三相驅動轉接板的GL、EL 上，確認高電壓為+15V，低電壓為-10V。如果上述三相IGBT 模組要求中的任何一項無法滿足，需要檢查單板是否正常。

將測試柜和待測逆變器使用功率線纜進行連接，在直流源輸入最終電壓750V、20A，并在環境溫度為40℃～45℃的正常運行狀態下，觀察后臺“系統溫度”中的“模塊IGBT溫度”。任何時刻都不應該大于95℃。“模塊散熱器溫度”不能超過80℃，整個測試過程中的“電感溫度”溫度值均不能高于160℃。機器運轉10min 后，觀察液晶屏上“實時數據”中的成品測試機是否異常升高（可與相同時間開的機器做對比），并用熱成像儀FLUKE Ti100 觀察所列關鍵熱點的溫度是否有異常。如果有異常，則下電檢查；如果沒有且整機無異響，關上整機門和測試房大門繼續測試。整機測試4h，每2h 使用熱像儀觀測變流器關鍵熱點。如果測試過程中無異常情況，表明IGBT 模塊各項溫度、功率線纜各項溫度、電感各項溫度均符合測試設計要求。具體數據見表3。

表3 產品逆變器功率測試性能（25℃）

4.4 滿載測試

滿載測試是指逆變器在滿負荷逆變狀態下進行測試，它模擬的是逆變器在正午時分陽光充足的狀態下進行滿負荷正常運轉的情況。產品滿載測試性能參數參考NB/T32004—2018 光伏并網逆變器技術規范。將測試柜和待測逆變器使用功率線纜進行連接。將DC-Source 和AC-Source 的輸出功率電纜連接到被測機器上。在連接功率線纜過程中，將功率分析儀OKOGAWA WT1800 的CT 套在功率線纜上，具體接線方法如下：在直流側，將DC-Source 正極銅排引出的電纜（紅色）經轉接盒接到被測PCS 直流側正極銅排，將DCSource 負極銅排引出的電纜（黑色）經轉接盒接到被測PCS直流側負極銅排。注意正、負不要接反，否則會燒毀機器。在交流側，通過隔離變壓器將AC-Source 中的A（黃色）、B（綠色）、C（紅色）、PE（黃綠）銅排引出的電纜連接被測機器交流側斷路器下端的A、B、C、PE 銅排上。然后連接功率分析儀的電壓測試端子，分別測試直流側電壓Udc和三相線電壓（Uab、Ubc、Uca）。示波器通過霍爾柔性探頭測試直流母線電流，通過高壓探頭測試母線電壓。打開功率分析儀和示波器，記錄相關測試數據。在成品測試機功率達到半載50%、滿載100%及滿載100%15min 的正常運行狀態下，逆變有功功率、逆變電流、IGBT 模塊溫度和散熱器溫度均符合測試設計要求，具體數據見表4。

表4 產品逆變器滿載測試性能

5 結語

為了達到碳中和目標，2030 年我國非化石能源占一次能源消費比重將達到25%（2019 年為15.3%）。憑借成本和低碳優勢，預計光伏發電2020～2050 年發電量復合年增速為12%，2050 年將約占全國發電量的40%。由于光伏發電已經實現了平價上網、國家十四五期間大力推崇、光伏發電技術的不斷創新提升和國家政策的不斷扶持，光伏發電成本大幅下降，許多國家及地區均對光伏電力上網發電實行了補貼政策，促進了光伏產業的快速穩步發展，因此目前我國光伏系統的安裝量大幅上升[3]。政策的驅動提高了光伏系統的成本下降速度，到21 世紀中頁，光伏逆變發電最有希望成為替代新興能源和本世紀末最有希望的主力能源。

調整光伏逆變器IGBT 硅脂涂敷工藝硅脂黏度后，硅脂涂敷厚度合格、平面度改善明顯，涂敷合格率提高1.5～2 個百分點，生產效率提高5%左右，成本和市場投訴明顯減少。IGBT 硅脂涂敷工藝改進后的成品逆變模塊涂敷外觀有很大改善，并且功能測試、功率測試和滿載測試均能滿足我國和國際標準要求。