IGBT 模塊工作環境溫溼度條件解析

來源: 英飛凌工業半導體

在散熱器上安裝的 IGBT 模塊並非密封設計，儘管芯片上方有一層硅膠，但是水氣仍然可以通過外殼間隙以及硅膠進入器件芯片內部。因此，器件在使用和存儲過程中，必須避免溼氣或者腐蝕性氣體。

目前大多數 IGBT 模塊允許工作的溫溼度以及氣候條件遵循 IEC60721-3-3 規定,爲使客戶更加了解 IGBT 的使用環境條件，本文主要介紹溫度以及溼度運行條件。

IEC 60721-3-3 標準把氣候條件分成 5 類:

• 3K20:溫度溼度連續可控，而且經常有人維護，比如用於室內產品。

• 3K21:溫度可控，溼度不連續可控。 比如機房，數據中心等。

• 3K22: 溫度可控，溼度不可控。

• 3K23:溫度溼度都不可控，可能會結冰。

• 3K24:溫度溼度都不可控，直接暴露在空氣中。

標準中規定的詳細工作條件如下表所示。在工業變頻器應用中，功率半導體器件允許工作的環境條件如 3K22 這列所描述，器件的所有可靠性測試也基本按照這個條件定義並確定測試規範。

從上表可以看出，除了溫度和壓力之外，3K22 還規定了相對溼度（相對溼度等於實際水氣含量相比於同溫度下飽和水氣量）允許範圍是 5%-85%，而且不允許有凝露，此外絕對溼度最高值爲 25g/m 3 。根據熱力學原理，因爲絕對溼度不變，即空氣含有水蒸氣的量不變，溫度上升意味着空氣含水蒸氣的飽和量加大了，而實際含水蒸氣的量並沒有發生變化，這樣實際含水蒸氣的量佔飽和量的比例就縮小了，所以相對溼度減小。 相反，如果溫度下降意味着空氣含有水蒸氣的飽和量變小了，而實際含水蒸氣的量沒有變化，這樣實際含水蒸氣的量佔飽和量的比例就加大了，相對溼度就上升了。因此為了避免凝露，需要根據櫃體外部的溫度適當調整櫃內溫度。

下面結合溫度，相對溼度，絕對溼度圖來說明具體的工作條件變化。圖中橫軸爲溫度，縱軸爲相對溼度，斜線是絕對溼度，從右到左絕對溼度逐漸減小（Cabs=1 表示絕對溼度爲 1 g/m ³ ，Cabs=2 表示絕對溼度爲2 g/m ³ ，以此類推 Cabs=25 表示絕對溼度爲 25 g/m ³ ）。3K22 的工作範圍如圖中紅色數字 1-2-3-4-5-1 曲線所包圍的區域。

• 1 點畫虛線表示絕對溼度 25g/m ³

• 2 對應溫度 40 度不變的曲線

• 3 包括絕對溼度 1g/m ³ 和相對溼度 5% 相交的包絡線（更詳細的可以參照 IEC 60721-3-3 圖 B.1）

• 4 溫度爲 5 度不變的曲線

• 5 表示最高相對溼度 85%。

假設 IGBT 工作的變頻櫃大氣條件如圖中藍色方塊所示（絕對溼度 8-25 g/m ³ ，相對溼度最高 85%，溫度 12-33 度）。 根據熱力學定律，對於體積一定的密閉空氣，當絕對溼度不變，溫度變化時，可以依據下面的公式計算溫度增加後對應的相對溼度。

其中 T _3k22 ， rH _3k22 是標準 3K22 給出的溫度以及對應的相對溼度

T _eff 是考慮自加熱後的器件溫度， rH _eff 爲該溫度下計算後對應的相對溼度

W，K _B 是常數

依據上面的公式，當該設備處於運行狀態時，溫度升高 10 度，絕對溼度保持不變，因此其工作條件就變爲圖中橙色的範圍，從中可以看出，相對最高溼度從 85% 有減小到 50%，而且相對溼度的範圍也相應減小。如果溫升為 20 度，相對溼度會進一步減小到 30%，因此隨着溫度的提高相對溼度會顯著下降。

結論

1. 儘管 IGBT 期望的相對溼度在 5%-85%， 但是由於在實際工作中功率半導體會發熱，因此溫度會上升，而絕對溼度是不變的，溫度上升會導致相對溼度減小。

2. 假設半導體器件在溼度比較高的環境條件下長時間放置，爲減少凝露確保器件正常運行，在使用前建議採用適當的加熱措施，提高溫度，降低相對溼度。

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