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(chǎn)大國，也是一個能源消費大國。隨著太陽能電池技術(shù)不斷發(fā)展，太陽電池生產(chǎn)成本和光伏發(fā)電成本快速下降，在各項光伏政策的支持下，我國光伏發(fā)電市場繼續(xù)保持快速發(fā)展[1]。

IGBT 硅脂涂敷工藝是光伏逆變器生產(chǎn)的核心工序，導(dǎo)熱硅脂是其關(guān)鍵物料。導(dǎo)熱硅脂成分為硅油和填料，目前被廣泛應(yīng)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(dǎo)致?lián)p壞。為保證導(dǎo)熱硅脂均勻分布在IGBT 上，其涂敷工藝至關(guān)重要[2]。改進涂敷工藝可以有效提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的競爭力，在保證質(zhì)量的前提下降低導(dǎo)熱硅脂的黏度，提高導(dǎo)熱硅脂的均勻性，減少涂敷時間，提高產(chǎn)能，增加企業(yè)效益。產(chǎn)能較低會造成能源浪費并增加生產(chǎn)成本，可以通過降低涂敷硅脂的勞動強度來提高逆變器質(zhì)量和生產(chǎn)效率，達到節(jié)能降耗的目的，這也是我公司逆變器開發(fā)工作的重中之重。該文采取調(diào)整導(dǎo)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(chǎn)提出了更高要求，功能測試穩(wěn)定、電性能逆變效率高以及使用壽命長是光伏逆變器的發(fā)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(yè)的研究和開發(fā)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(guī)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(dǎo)致產(chǎn)品性能不穩(wěn)定，經(jīng)功率測試和滿載測試發(fā)現(xiàn)大量異常數(shù)據(jù)。

2 改進方案

IGBT 硅脂涂敷工藝相同的條件下，通過調(diào)整導(dǎo)熱硅脂黏度來確保導(dǎo)熱硅脂熱導(dǎo)率及熱阻值。熱導(dǎo)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(dǎo)功率，數(shù)值越大，表明該材料的熱傳遞速度越快且導(dǎo)熱性能越好。目前主流導(dǎo)熱硅脂的熱傳導(dǎo)系數(shù)均大于1.1W/m·K。導(dǎo)熱硅脂的均勻性決定導(dǎo)出的熱量，手動滾輪式涂覆不能保證導(dǎo)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(dǎo)熱硅脂熱阻值穩(wěn)定，對硅脂黏度有一定要求，研發(fā)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(yōu)點的產(chǎn)物，并兼具集中式逆變器成本低和組串式逆變器發(fā)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(wǎng)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(wǎng)工裝時，硅脂涂覆機絲網(wǎng)對硅脂黏度要求較高。與絲網(wǎng)工裝涂覆相比，鋼網(wǎng)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(wǎng)工裝涂覆，優(yōu)先選用鋼網(wǎng)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(shè)定為69Pa·s、60Pa·s和47Pa·s，分別測出熱導(dǎo)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(diào)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(jù)調(diào)整方案1～3 試驗同規(guī)格、相同批量的逆變器，在IGBT 硅脂涂敷后進行數(shù)據(jù)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(chǎn)裝配過程中硅脂涂敷工藝存在一定風(fēng)險。

4 產(chǎn)品性能檢驗

4.1 常規(guī)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(diào)整后硅脂厚度及平面度比調(diào)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(chǎn)品功能測試性能參數(shù)參考GB/T30427—2013 并網(wǎng)光伏發(fā)電專用逆變器技術(shù)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(guān)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(cè)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(guān)，先按下STOP 鍵（按下STOP 進入READY）以關(guān)閉保護提示界面，調(diào)到DC 直流檔位，將最大漏電流上限設(shè)置為10mA，電壓設(shè)為2820V DC，上升時間為10s，持續(xù)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(jié)束后按STOP 鍵進行放電，然后關(guān)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(fù)到初始狀態(tài)。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(diào)試電腦的任一USB 或RS232 端口。打開調(diào)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(diào)試成品測試機，進行開關(guān)狀態(tài)、單板狀態(tài)、散熱風(fēng)機狀態(tài)、面板控制狀態(tài)及最重要的系統(tǒng)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(diào)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(wǎng)電壓均符合測試設(shè)計要求，具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 產(chǎn)品逆變器功能測試性能（25℃）

4.3 功率測試

產(chǎn)品功率測試性能參數(shù)參考GB/T30427—2013 并網(wǎng)光伏發(fā)電專用逆變器技術(shù)要求和試驗方法。IGBT 組件是逆變器的核心單元，IGBT 驅(qū)動發(fā)波檢測及系統(tǒng)配置檢測相當(dāng)重要。1）示波器DSO-X3014A 設(shè)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(shè)為500 ∶1。2）高壓探頭TektronixP5200A 設(shè)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(shè)為500 ∶1。3）A、B、C 三相驅(qū)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(jù)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(qū)動轉(zhuǎn)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(qū)動轉(zhuǎn)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(huán)境溫度為40℃～45℃的正常運行狀態(tài)下，觀察后臺“系統(tǒng)溫度”中的“模塊IGBT溫度”。任何時刻都不應(yīng)該大于95℃?！澳K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(zhuǎn)10min 后，觀察液晶屏上“實時數(shù)據(jù)”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(guān)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(guān)上整機門和測試房大門繼續(xù)測試。整機測試4h，每2h 使用熱像儀觀測變流器關(guān)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(shè)計要求。具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 產(chǎn)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(tài)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(tài)下進行滿負荷正常運轉(zhuǎn)的情況。產(chǎn)品滿載測試性能參數(shù)參考NB/T32004—2018 光伏并網(wǎng)逆變器技術(shù)規(guī)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(cè)，將DC-Source 正極銅排引出的電纜（紅色）經(jīng)轉(zhuǎn)接盒接到被測PCS 直流側(cè)正極銅排，將DCSource 負極銅排引出的電纜（黑色）經(jīng)轉(zhuǎn)接盒接到被測PCS直流側(cè)負極銅排。注意正、負不要接反，否則會燒毀機器。在交流側(cè)，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(cè)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(cè)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(guān)測試數(shù)據(jù)。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(tài)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(shè)計要求，具體數(shù)據(jù)見表4。

表4 產(chǎn)品逆變器滿載測試性能

5 結(jié)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(yōu)勢，預(yù)計光伏發(fā)電2020～2050 年發(fā)電量復(fù)合年增速為12%，2050 年將約占全國發(fā)電量的40%。由于光伏發(fā)電已經(jīng)實現(xiàn)了平價上網(wǎng)、國家十四五期間大力推崇、光伏發(fā)電技術(shù)的不斷創(chuàng)新提升和國家政策的不斷扶持，光伏發(fā)電成本大幅下降，許多國家及地區(qū)均對光伏電力上網(wǎng)發(fā)電實行了補貼政策，促進了光伏產(chǎn)業(yè)的快速穩(wěn)步發(fā)展，因此目前我國光伏系統(tǒng)的安裝量大幅上升[3]。政策的驅(qū)動提高了光伏系統(tǒng)的成本下降速度，到21 世紀中頁，光伏逆變發(fā)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(diào)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(chǎn)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。