刘一洋1 李佳2
维谛技术（西安）有限公司 陕西 西安 7750002
摘 要：
本文通过分析凝露对风电变流器等电气产品的影响，介绍了风能变流器防凝露的方法和基本原则，应用于风能变流器设计中。
关键词：
风力发电；变流器；凝露；露点温度
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1.引言
在过去十几年间，中国风电产业得到长足发展。近几年，最早在西北平原地区大量布局的风力发电项目正逐步向东南、西南沿海地区转移。风力发电机组面临更加复杂多变的应用环境。一些特殊的环境条件，比如高温高湿、凝露、盐雾等，给风电产品的设计提出了新的挑战。本文针对凝露对风电变流器应用的影响，特别是对IGBT等关键器件的影响，探讨风电变流器在设计上的应用方法。
2.凝露的形成以及与温度、湿度的关系
空气可以看作是由干空气、水气、少量的尘埃组成。温度越高，空气中可以容纳的水汽越多。从温度、湿度和露点温度三者的关系，可以得到下面结论：
1)在一定的温度条件下，空气中的相对湿度越高，露点温度越接近环境空气温度，凝露越容易发生。
2)露点温度接近环境空气温度，凝露容易发生。
3)在相对湿度在100%以下时，不管空气中的温度如何，形成结露的露点温度始终是低于环境温度。
3.凝露的危害
1233.1高湿和凝露对IGBT的危害
由于IGBT模块的塑料外壳并不是气密的，空气中的水蒸气可以通过电源端子等的开口渗透到模块中。实验证明，虽然IGBT模块中的硅胶大多对液态的水吸收很少(<0.5%)，但不能阻挡水蒸气的渗入和扩散。而且，在散热器冷却后，水分子还容易聚集在基板、端子和半导体表面。此外，水分子由于其电极特性而可能被吸引到带电半导体表面，并在电场中对齐（如图1所示）。[1]
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进入IGBT模块内部的水分子对IGBT的危害主要体现在2个方面：降低阻断电压或腐蚀芯片。有研究表明[2]，在高湿环境下IGBT芯片的劣化存在两种不同的方式，一种是漏电流没有明显变化、早期雪崩击穿（红线），另一种是漏电流不断增大（蓝线）。
3.2凝露的其他危害
凝露而成的液态水，结合物体表面的尘埃，形成导电通道，会破坏电气绝缘，使原先不导电的区域变成了导电区域，产生放电。例如，发生在IGBT功率器件表面的凝露，可以结合其表面的尘埃，在漏极和栅极之间形成导电通道，使栅极遭受破坏，最终致使整个器件失效；发生于控制电路上的凝露，可以电路板上形成导电通道，造成逻辑信号错乱，电子元器件失效，电源短路等故障。
4.凝露的防治措施
要避免凝露的发生，就要破坏凝露形成的条件：湿度和温差。只要破坏了凝露形成的两个条件中的任何一个，凝露都不会发生。在此思路下，有两种消除凝露的方法：湿度控制法和温度控制法，湿度控制法的目标是降低绝对湿度，而温度控制法的目标是降低相对湿度。
44.1降低绝对湿度的方法
降低空气中的绝对湿度，减少空气中水汽的含量，从而使凝露不发生。主要有冷却除湿、吸附式除湿法两种。
方法一：冷却除湿法
在变流器柜体这样的相对封闭的空间中，凝露就率先发生在温度最低的地方。如果能制造一个温度最低点，让水汽在该处凝露，排出柜外，那么变流器柜内湿度就能得到降低，能够保持干燥。该措施需要特殊装置，如带压缩机制冷的空调系统，或是基于珀耳帖效应的半导体制冷器。
方法二：吸附式除湿法
冷却除湿法根据吸湿方式的不同又大致可分为静态吸附除湿法和固体动态吸附除湿法两种。
(一)静态吸附除湿法
它是利用液体吸湿剂（如溴化锂，氯化锂） 和固体吸湿剂（俗称干燥剂，如硅胶） 来吸收空气中的水分。由于吸湿剂的吸湿量有限，只能适用于有限的封闭空间，同时吸湿剂需要定期更换。
(二)固体动态吸附除湿法
固体动态吸附除湿法是在利用固体吸湿剂吸附的同时对吸湿后的吸附剂进行再生，使其循环使用，从而保证整个除湿过程的连续进行。
4.2降低相对湿度的方法
降低相对湿度破坏凝露形成的另一个条件——温差，来达到阻止凝露形成的目的。对于变流器相对封闭的柜体空间，如果能使柜内温度始终处于露点温度之上，则凝露不会发生。该方法不能降低空气的绝对湿度，但能控制相对湿度，或者升高关键器件温度，防止凝露。
4.3除凝露方法
风电应用还常常遇到这样的状况：变流器首次安装到调试需要长时间的存储，抑或是投入运行的风场因为故障检修需要长时间停电。这使得在一定的环境条件下出现凝露成为可能。
半导体制造商SEMIKRON的实验证明，通过对IGBT模块加热，模块内部的湿度会大幅降低，加热温度和环境温度差别越大，效果越明显。加热24小时之后，湿度趋于稳定。
5.风能变流器防凝露设计要点
上一节介绍了多种的防凝露措施，在实际设计中需要根据风能变流器的实际情况具体分析来选择适当的除湿方案。下面针对实际风能变流器防凝露设计提供一些建议。
1)运输或存储过程中，样机内需要有干燥剂，干燥剂需要放置在明显的位置；
2)根据变流器结构、变流器冷却方式，选择合理的除湿防（除）凝露方案。结构设计要考虑在风场断电或凝露已经发生的情况下，关键器件要有适当的防护。
3)防凝露设计时要综合考虑成本。
4)通过环境试验来验证温湿度采集器件、加热除湿器件放置在合适的位置，确保加热除湿功能的正常运行。
6.结束语
高湿和凝露对于变流器的危害很大，除了破坏电气绝缘，还能造成器件损坏。为提高变流器运行的可靠性，可使用了一些加热除湿方法，包括降低绝对湿度和降低相对湿度的方法。凝露对变流器可靠性的影响非常复杂，防凝露设计需要后续的项目不断实践、创新，提高认识，优化设计，提高变流器的环境适应能力。
参考文献：
1、“Effect of Humidity and Condensation on Power Electronics Systems” SEMIKRON Application Note AN 16-00.
2、“Temperature humidity bias THB testing on IGBT modules at high bias levels”, Christian Zorn, Nando Kaminski, 2014.
刘一洋，男， 汉，四川，1981年11月10日，硕士，工作单位：维谛技术（西安）有限公司，中级工程师，主要研究方向或者从事工作：新能源产品研发，邮编：710065
李佳，男， 汉，陕西，1984年1月21日，硕士，工作单位：维谛技术（西安）有限公司，中级工程师，主要研究方向或者从事工作：新能源产品研发，邮编：710065