光伏逆变器IGBT_硅脂涂敷工艺研究

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工 业 技 术
我国是能源生产大国，也是一个能源消费大国。

随着太阳能电池技术不断发展，太阳电池生产成本和光伏发电成本快速下降，在各项光伏政策的支持下，我国光伏发电市场继续保持快速发展[1]。

IGBT 硅脂涂敷工艺是光伏逆变器生产的核心工序，导热硅脂是其关键物料。

导热硅脂成分为硅油和填料，目前被广泛应用于散热器与IGBT 安装面，其目的在于填补各器件安装面与散热器间的间隙，以取得更均匀、更有效的散热效果，避免器件由温度过高导致损坏。

为保证导热硅脂均匀分布在IGBT 上，其涂敷工艺至关重要[2]。

改进涂敷工艺可以有效提高生产效率，降低生产成本，提高产品的竞争力，在保证质量的前提下降低导热硅脂的黏度，提高导热硅脂的均匀性，减少涂敷时间，提高产能，增加企业效益。

产能较低会造成能源浪费并增加生产成本，可以通过降低涂敷硅脂的劳动强度来提高逆变器质量和生产效率，达到节能降耗的目的，这也是我公司逆变器开发工作的重中之重。

该文采取调整导热硅脂黏度的方法对光伏逆变器IGBT 硅脂涂敷工艺进行改进。

1 改进前IGBT 硅脂涂敷工艺存在的问题
光伏逆变市场竞争日益加剧，对高效光伏逆变器的生产提出了更高要求，功能测试稳定、电性能逆变效率高以及使用寿命长是光伏逆变器的发展趋势。

随着市场竞争白热化，高性能、低成本的逆变器成为众多逆变器企业的研究和开发重点。

我公司光伏逆变器包括集散式、集中式和组串式系列，逆变功率不同，元器件规格即不同。

市场上以集散式与组串式系列逆变器为主，该文以大功率集散式逆变器为研究对象。

集散式逆变器硅脂涂敷工艺存在硅脂厚度不匀称、涂敷难度大等问题，导致产品性能不稳定，经功率测试和满载测试发现大量异常数据。

2 改进方案
IGBT 硅脂涂敷工艺相同的条件下，通过调整导热硅脂黏度来确保导热硅脂热导率及热阻值。

热导率是截面积为1m 2的柱体沿轴向1m 距离且温差为1K （1K ＝1℃）时的热传导功率，数值越大，表明该材料的热传递速度越快且导热性能越好。

目前主流导热硅脂的热传导系数均大于1.1W/m ·K 。

导热硅脂的均匀性决定导出的热量，手动滚轮式涂覆不能保证
导热硅脂厚度均匀性分布，同时，手动滚轮式涂覆还要求员工操作技能及熟练程度高，因此采用机械硅脂涂覆机操作简单，效率较高，均匀性也能得到保证。

导热硅脂热阻值稳定，对硅脂黏度有一定要求，研发合适的硅脂黏度迫在眉睫。

硅脂粘接在IGBT 与散热器上的材料分布如图1所示。

集散式逆变器是目前提出的一种新逆变形式，是聚集了集中式逆变器和组串式逆变器2种逆变器优点的产物，并兼具集中式逆变器成本低和组串式逆变器发电量高等特点。

集散式逆变器IGBT 硅脂涂敷工艺中使用的是钢网硅脂涂敷机，硅脂黏度越大，硅脂涂敷越困难，成品率越低。

同时，使用丝网工装时，硅脂涂覆机丝网对硅脂黏度要求较高。

与丝网工装涂覆相比，钢网工装涂覆中的硅脂覆盖散热器均匀性更好。

通过观察及硅脂测厚仪测厚也可排除丝网工装涂覆，优先选用钢网工装。

硅脂厚度在25℃时的标准为80μm~120μm ，试验方案中的硅脂黏度设定为69Pa ·s 、60Pa ·s 和47Pa ·s，分别测出热导率为3.3W/m ·K、3.6W/m ·K 和3.4W/m ·K，硅脂厚度为90μm、98μm 和86μm。

调整方案见表1。

表1 硅脂黏度与涂敷厚度（80μm~120μm）成品率（25℃）
方案硅脂黏度（Pa·s）
热导率（W/m·K）
硅脂厚度（μm）成品率（%）169 3.39097.82260 3.69899.243
47
3.4
86
97.36
3 改进后的IGBT 硅脂涂敷工艺
根据调整方案1~3试验同规格、相同批量的逆变器，在IGBT 硅脂涂敷后进行数据对比。

方案1的IGBT 硅脂模块成品率为97.82%，方案2的IGBT 硅脂模块成品率为99.24%，方案3的IGBT 硅脂模块成品率为97.36%。

由此可知，方案2硅脂黏度60Pa ·s 对IGBT 硅脂涂敷工艺改善效果最佳，方案1和3虽然也可达到要求，但成品率低、浪费严重且生产装配过程中硅脂涂敷工艺存在一定风险。

4 产品性能检验4.1 常规厚度检测
装配IGBT 模块前需要确保硅脂涂敷厚度、平面度等指标合格。

硅脂涂敷使用全自动锡膏印刷机，厚度检测使用电子焊膏厚度测试仪，以最大程度保证硅脂厚度及平面度。

硅脂黏度改进前、后硅脂涂敷效果照片如图2所示。

从图2可以看出，硅脂黏度调整后硅脂厚度及平面度比调整前有很大
光伏逆变器IGBT硅脂涂敷工艺研究
李冬阳
（上能电气（宁夏）有限公司，宁夏 吴忠 751300）
摘 要：集散式逆变器硅脂涂敷工艺存在硅脂厚度不均称、涂敷难度大等问题，导致产品性能不稳定。

经功率测试和满载测试发现大量异常数据。

该文采取调整导热硅脂黏度的方法对光伏逆变器IGBT 硅脂涂敷工艺进行改进。

通过降低导热硅脂的黏度，确保导热硅脂热导率、热阻值几乎不变，同时设定了相同的环境温度条件，导热硅脂厚度相对均匀，减少了IGBT 硅脂涂敷时间，提高了效率，产品电能转化相对稳定。

功能测试、功率测试和满载测试变化不大，性能有所改善，提高了生产效率，降低了生产成本。

关键词：IGBT ；导热硅脂；涂敷工艺；集散式中图分类号：TK 514 文献标志码：A
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改善。

4.2 安功测试
产品功能测试性能参数参考GB/T 30427—2013并网光伏发电专用逆变器技术要求和试验方法。

测试包括安全测试和功率测试，安全测试又包括绝缘电阻测试和绝缘强度（耐压）测试。

1）绝缘电阻测试：将所有短接线进行短接，要求闭合的开关操作到位。

使用绝缘电阻测试仪UT-501A ，输入端“LINE ”夹在短接后的端子即交流侧断路器铜排上，地线端“EARTH ”夹在整机PE 铜排或机壳上。

佩戴好绝缘手套，将量程打到1000V ，按下“TEST ”测试键（按下
1次，按钮的背景灯为红色，表示启动）
，3s~5s 后电压升至1000V DC 左右，测试时间为30s 左右，要求绝缘电阻不小于2M Ω。

将绝缘电阻值记录上传，符合要求为通过，不符合要求为不通过。

再次按下“TEST ”测试键，按钮的背景灯熄灭，表示停止并放电，最后将量程打到0V 。

2）绝缘强度（耐压）测试：将耐压测试仪TOS 5301输出一端（红线HIGH ）夹在短接工装即短接铜排上，另一端（黑线LOW ）夹在整机PE 接地铜排或机壳上。

打开耐压测试仪开关，先按下STOP 键（按下STOP 进入READY ）以关闭保护提示界面，调到DC 直流档位，将最大漏电流上限设置为10mA ，
电压设为2820V DC ，上升时间为10s ，持续测试时间为60s 。

按下START ，耐压测试仪显示PASS 为通过，显示FAIL 为不通过。

结束后按STOP 键进行放电，然后关闭电源，将短接工装上的夹子在机壳上触碰一下进行放电，或者用电阻放电工装放电。

拔掉耐压测试仪测试夹，将测试的耐压漏电流值记录在变流器流程卡反面。

测试完毕后，拆除所有短接线，回复到初始状态。

3）功率测试：将测试柜和待测逆变器使用功率线缆连接，用RS 232串口线连接整机对外的232接口和调试电脑的任一USB 或RS 232端口。

打开调试电脑上的后台软件，启动烧录程序。

确定为单板烧录程序后，调试成品测试机，进行开关状态、单板状态、散热风机状态、面板控制状态及最重要的系统温控模拟量检测。

以上测试都为“PASS ”验证通过后，将直流源端输入电压调整为100V 、200V 、300V 、400V 、500V 、600V 和750V ，PV 对地电压、逆变电压、逆变电流和并网电压均符合测试设计要求，具体数据见表2。

4.3 功率测试
产品功率测试性能参数参考GB/T 30427—2013并网光伏发电专用逆变器技术要求和试验方法。

IGBT
组件是逆变器的核心单元，IGBT 驱动发波检测及系统配置检测相当重要。

1）
图 1 硅脂粘接在IGBT 与散热器上的材料分布
图2 硅脂黏度改进前、后硅脂涂敷效果照片
（a）调整前 调整前
调整后
（b）调整后
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示波器DSO-X 3014A 设置。

时间轴（水平轴）100μs/div ，电压幅值（垂直轴）5V/div ，将示波器通道1比率设为500∶1。

2）高压探头TektronixP 5200A 设置。

将高压探头插在示波器1号通道，并将高压探头的比例设为500∶1。

3）A 、B 、C 三相驱动波形测试。

连接IGBT 测试工装，分别找到3块X 1板上的GH 、EH 、GL 、EL ，将所有工装勾根据标号依次勾在每块板的测试点上，用高压探头正（红）负（黑）鳄鱼夹分别夹在A 、B 、C 三相驱动转接板（X 1）的GH 、EH 上，确认高电压为+15V ，低电压为-10V 。

将高压探头正（红）负（黑）鳄鱼夹分别夹在A 、B 、C 三相驱动转接板的GL 、EL 上，确
认高电压为+15V ，低电压为-10V 。

如果上述三相IGBT 模
组要求中的任何一项无法满足，需要检查单板是否正常。

表2 产品逆变器功能测试性能（25℃）项目
直流输入电压（V）100200300400500600750PV对地电压（V）98.6194.7298.0399.5498.1597.6742.4逆变电压（V）40.583.1128.4166.8211.7254.7316.9逆变电流（A）8.816.525.232.841.850.262.1并网电压（V）
41.3
84.0
126.0
169.2
211.1
254.3
317.1
将测试柜和待测逆变器使用功率线缆进行连接，在直
流源输入最终电压750V 、20A ，并在环境温度为40℃~45℃的正常运行状态下，观察后台“系统温度”中的
“模块IGBT 温度”。

任何时刻都不应该大于95℃。

“模块散热器温度”不能超过80℃，整个测试过程中的“电感温度”温度值均不能高于160℃。

机器运转10min 后，观察液晶屏上“实时数据”中的成品测试机是否异常升高（可与相同时间开
的机器做对比）
，并用热成像仪FLUKE Ti 100观察所列关键热点的温度是否有异常。

如果有异常，则下电检查；如果没有且整机无异响，关上整机门和测试房大门继续测试。

整机测试4h ，每2h 使用热像仪观测变流器关键热点。

如果测试过程中无异常情况，表明IGBT 模块各项温度、功率线缆各项温度、电感各项温度均符合测试设计要求。

具体数据见表3。

表3 产品逆变器功率测试性能（25℃）
项目
序号
12345IGBT模块A项温度（℃）58.160.261.458.554IGBT模块B项温度（℃）58.361.762.860.759IGBT模块C项温度（℃）58.562.163.360.958.2功率线缆A项温度（℃）49.551.854.548.844.9功率线缆B项温度（℃）52.354.657.151.347.7功率线缆C项温度（℃）5254.356.249.445.5电感A项温度（℃）52.558.965.868.170.4电感B项温度（℃）57.566.476.271.283.7电感C项温度（℃）
57.3
66.1
76.9
71.9
84
4.4 满载测试
满载测试是指逆变器在满负荷逆变状态下进行测试，它
模拟的是逆变器在正午时分阳光充足的状态下进行满负荷正常运转的情况。

产品满载测试性能参数参考NB/T 32004—2018光伏并网逆变器技术规范。

将测试柜和待测逆变器使用功率线缆进行连接。

将DC-Source 和AC-Source 的输出功率电缆连接到被测机器上。

在连接功率线缆过程中，将功率分析仪OKOGAWA WT 1800的CT 套在功率线缆上，具体
接线方法如下：在直流侧，将DC-Source 正极铜排引出的电
缆（红色）经转接盒接到被测PCS 直流侧正极铜排，将DC-Source 负极铜排引出的电缆（黑色）经转接盒接到被测PCS 直流侧负极铜排。

注意正、负不要接反，否则会烧毁机器。

在交流侧，通过隔离变压器将AC-Source 中的A （黄色）
、B （绿色）
、C （红色）、PE （黄绿）铜排引出的电缆连接被测机器交流侧断路器下端的A 、B 、C 、PE 铜排上。

然后连接功率分析仪的电压测试端子，分别测试直流侧电压U dc 和三
相线电压（U ab 、U bc 、U ca ）。

示波器通过霍尔柔性探头测试直流母线电流，通过高压探头测试母线电压。

打开功率分析仪和示波器，记录相关测试数据。

在成品测试机功率达到半载50%、满载100%及满载100%15min 的正常运行状态下，逆变有功功率、逆变电流、IGBT 模块温度和散热器温度均
符合测试设计要求，具体数据见表4。

表4 产品逆变器满载测试性能
项目
功率百分比50%100%100%运行15min 逆变有功功率（kW）
83166.1166逆变电流（A）457.7930.4929.6IGBT模块温度（℃）41.655.159.5散热器温度（℃）
29.7
35.645.4
5 结语
为了达到碳中和目标，2030年我国非化石能源占一次
能源消费比重将达到25%（2019年为15.3%）。

凭借成本和低碳优势，预计光伏发电2020~2050年发电量复合年增速为12%，2050年将约占全国发电量的40%。

由于光伏发电已经实现了平价上网、国家十四五期间大力推崇、光伏发电技术的不断创新提升和国家政策的不断扶持，光伏发电成本大幅下降，许多国家及地区均对光伏电力上网发电实行了补贴政策，促进了光伏产业的快速稳步发展，因此目前我国光伏系统的安装量大幅上升[3]。

政策的驱动提高了光伏系统的成本下降速度，到21世纪中页，光伏逆变发电最有希望成为替代新兴能源和本世纪末最有希望的主力能源。

调整光伏逆变器IGBT 硅脂涂敷工艺硅脂黏度后，硅脂涂敷厚度合格、平面度改善明显，涂敷合格率提高1.5~2个百分点，生产效率提高5%左右，成本和市场投诉明显减少。

IGBT 硅脂涂敷工艺改进后的成品逆变模块涂敷外观有很大改善，并且功能测试、功率测试和满载测试均能满足我国和国际标准要求。

参考文献
[1]国家发展和改革委员会.能源发展“十三五”规划[R].北京：国家能源局，2016.
[2]黄庆.李强辉.IGBT 导热硅脂涂敷工艺研究[J].铁道机车车辆，2011，31（2）：111-113.
[3]西宁（国家级）经济技术开发区.光伏专用逆变器及控制器系列产品生产项目可行性报告[R].西宁：西宁（国家级）经济技术开发区，2010.通信作者：李冬阳（1992-），男，本科，研究方向为新能源电力电器光伏逆变器研究与开发。

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