可靠性是如何炼成的——华为光伏逆变器环境长期可靠性影响和验证方法

索比光伏网讯:太阳能发电系统通常直接暴露在室外环境工作，经常遇到高温、高寒、高湿、大风沙，淋雨，盐雾等恶劣气象条件。华为可靠性实验室业界首创开发出了温度、湿度、腐蚀性粉尘三综合应力试验设备，使得逆变器产品在恶劣场景应用具有卓越的适应能力。针对户外应用，采用高温、淋雨、带电温循、外场暴露等加速方法，验证了逆变器的长期可靠性，保证设备长期稳定运行。

1.温变影响机理

温度不同，材料结构的分子运动的速度不同，在不同材料之间就出现膨胀系数、热传递性能的匹配差异，容易导致部件的卡紧件松弛。IGBT模块和散热器之间的热不匹配、不同材料的收缩或膨胀率不同，可诱发部件的变形或破裂、表面涂层开裂、气密性变差或泄漏、绝缘保护失效等。通常温度变化慢，影响不明显。急剧的温度变化可能会暂时或永久的影响设备的正常工作。

同时温度的快速变化，容易在单板，机壳等位置形成凝露，结水或结冰等现象，这对逆变器的运行带来较大的风险。

2.温变影响案例

影响逆变器温度的主要是地域温差、昼夜温差、季节温差、天气变化如太阳、风、雨等形成的温差。同时自然散热在热源和器件、外壳之间也形成温差，导致逆变器个部件之间形成温差。在北方地区冬季温度较低，很多地方低于-20℃，夏季温度超过40℃，昼夜温差20℃、季节温差60℃，同时逆变器外壳的温升在20~30℃，内部IGBT的温升在40~50℃。这样容易在内部腔体内形成温度差和各个部位的温度差，并且温度变化频繁，这些对产品材料的选择提出了严峻的挑战。

此外早晚开机功率输出，突变的阵雨及恶劣的天气变化，温变速率大，容易在一些部件上形成凝露，这也将影响逆变器的安全运行。



图1某西北地区一年中温度变化曲线



图2 实际出现结冰情况 



图3 模拟可能淋雨的场景 



图4 模拟湿尘腐蚀试验

3.应对解决方案　　

产品设计上要考虑温差的影响，同时考虑凝露风险，如单板集中、涂覆保护、内部风扇散热等多项措施。在验证方面一般采用高温淋雨试验和PTC带电温循试验来验证整机性能，作为查找薄弱点的主要方法。同时通过外场暴露来补充验证严酷环境的长期适应能力。

设计中考虑温度均衡、温差分布连续，防止内部形成明显的温差，从而平衡内部单板温度。提高产品对温变的适应性。通过热仿真的方法分析散热器、内部功率管、PCB单板器件等的热数据，设计中使热平衡均匀分配。



 图5 内外部风道分析图  



图6  整机热仿真分析

4.试验验证方法

4.1高温淋雨试验

4.1.1高温淋雨试验的场景分析

淋雨试验室在高温、高湿的条件下，通过冷水直接冲淋试验样品，让样品外部快速降温，此不仅是验证试验样品的IP防护等级，同时也是验证内部凝露的风险。一般通过内部贴湿度试纸的形式来检查内部是否发生凝露。同时也可进行带电试验，检测逆变器在高温淋雨时是否得到保护或失效。

夏天在高湿特别是在热带雨林地区使用的时候模块内部容易有凝露情况发生，通过淋雨试验来检验IP65等级的抗凝露能力，优化内部单板设计。正常使用时，模块内绝对湿度变化非常小，而下雨天模块内的平均温变速率已大于了4度/分钟，加上风速影响，温变率会进一步加大。

4.1.2高温淋雨试验方法

在专用的淋雨箱保持10H，自动开启喷水，同时温箱开始降低，功率开始关闭，喷水0.5H后，开启功率，10分钟后，关闭喷水,在喷水快速降温的过程中，关闭逆变器的功率，能提高温变率，兼容逆变器内部损耗影响。如此循环10次,时间168H。试验过程中检测功率运行机器情况。试验完成后开箱检查试纸情况。



图7  淋雨试验时序图。



图8 淋雨试验场景



图9  淋雨试验前后内部单板试纸比较

4.2PTC带电温循试验

4.2.1快速温循的场景分析

PowerandTemperatureCyclingTest：带电温循测试

带电温循测试的目的是为了暴露产品在不同温度条件长期运行时的潜在缺陷。通过循环的快速温变加速产品在实际的场景的高低温的变化，验证产品对环境的适应性和长期可靠性的主要方法，特别是材料的热匹配特性。通过带电运行的方式，能实时的检测逆变器状态。

4.2.2PTC带电温循试验方法

业界大部分试验最多用300CYCLE。由于逆变器的特殊性，每天都在温变，寿命期内的温变光昼夜温变次数为365*25=9125次，采用1000CYCLE的加速验证是必要。最低温度到-40℃，高温到80℃,温变15℃/分钟，具体的参考下面的试验时序曲线图。

高温和低温停留时间根据产品自身的热容特性选择，对于密闭型较大样品建议选择1H以上。在高温和低温过程中，可进行多次的上电和下电试验测试。验证低温和高温启动性能。在高温段，可增加多次上电下电操作（间隔时间大于逆变器并网最小间隙时间）。

试验完成后可对内部单板进行检查，还要求对内部单板，功率管进行检查，看是否存在裂缝，焊接不良，器件的封装和本体无开裂现象，塑料无明显的变形等。检查完成后可进行完成的电特性测试，分析试验前后特性是否没有明显的劣化。



图10  PTC试验时序曲线



图11  PTC试验场景图

4.3外场暴露

4.3.1外场暴露的场景分析

外场暴露可让逆变器在太阳光照下直接照射，比专门的模拟光照试验更接近实际场景。为了更好的模拟实际的现场，放到沿海地区爆晒不仅综合验证了抗潮湿、抗盐雾、抗太阳暴晒能力。海南万宁是一个比较理想的暴露外场，其有高温、高湿、高盐。此地区台风、降雨、高温交变明显。在夏天，最高温度到35℃，机器外壳到60℃以上，在突变的下雨条件下，外壳降低30℃。海边外场是一个咸湿、淋雨、快速温变综合试验，能更好的验证产品的稳定性。

4.3.2外场暴露试验方法

选择海边350M的试验区。通过支架斜挂固定架，接入专用的模拟的PV直流源，监控系统，直接和电网并网。每周对逆变器的状态进行巡检，观察其发电量，内部温度的主要参数。外场暴露是一个开放的资源环境，试验站每天记录湿度、温度、分析盐分含量。模拟逆变器运行，每天早上7:00开机，并网输出功率，晚上7:00后待机，关闭功率输出。试验周期1年以上。



图12  海上试验平台  



图13  350M试验区逆变器外场暴露实验

5.总结

华为产品一直重视长期可靠性，不仅要求产品按长寿命设计，还在材料特性、热分、材料的匹配等方面进行了长期的研究，积累了丰富的工程设计和试验经验。同时，华为具备世界一流的设备可靠性测试实验室。该实验室，拥有业界最全的产品全环境应用场景的模拟测试能力，以及先进的可靠性测试能力，包括气候、机械、室外风吹雨、太阳辐射、结冰等全场景测试能力，领先HALT测试、加速灰尘腐蚀等可靠性能力。

任何华为的产品均需要经过严格的质量测试。无论在寒冷的北冰洋，还是酷热的非洲，无论是海边的高盐雾环境，还是西北的沙漠地区，华为的产品经受了自然界恶劣严格的考验，屹立不倒。

光伏逆变器方面不仅借鉴了我司无线产品全球室外应用的经验，还专门研究了逆变器行业的独特应用环境。从设计、试验上保证了产品的长期稳定可靠运行。我们始终信奉一个理念，质量是我们的生命，数据真实无情，服务客户有情。通过这样的千锤百炼，我们的产品应用遍布全球，质量也得到了客户的广泛好评。