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IGBT模块工作环境温湿度条件解析

2025-11-14 11:00:24

在散热器上安装的IGBT模块并非密封设计,尽管芯片上方有一层硅胶,但是水汽仍然可以通过外壳间隙以及硅胶进入器件芯片内部。因此,器件在使用和存储过程中,必须避免湿气或者腐蚀性气体。

目前大多数IGBT模块允许工作的温湿度以及气候条件遵循IEC60721-3-3规定,为使客户更加了解IGBT的使用环境条件,本文主要介绍温度以及湿度运行条件。

IEC60721-3-3标准把气候条件分成5:

  • 3K20:温度湿度连续可控,而且经常有人维护,比如用于室内产品。
  • 3K21:温度可控,湿度不连续可控。比如机房,数据中心等。
  • 3K22:温度可控,湿度不可控。
  • 3K23:温度湿度都不可控,可能会结冰。
  • 3K24:温度湿度都不可控,直接暴露在空气中。

标准中规定的详细工作条件如下表所示。在工业变频器应用中,功率半导体器件允许工作的环境条件如3K22这列所描述,器件的所有可靠性测试也基本按照这个条件定义并确定测试规范。

从上表可以看出,除了温度和压力之外,3K22还规定了相对湿度(相对湿度等于实际水汽含量相比于同温度下饱和水汽量)允许范围是5%-85%,而且不允许有凝露,此外绝对湿度最高值为25g/m3。根据热力学原理,因为绝对湿度不变,即空气含有水蒸气的量不变,温度上升意味着空气含水蒸汽的饱和量加大了,而实际含水蒸汽的量并没有发生变化,这样实际含水蒸汽的量占饱和量的比例就缩小了,所以相对湿度减小。相反,如果温度下降意味着空气含有水蒸气的饱和量变小了,而实际含水蒸汽的量没有变化,这样实际含水蒸汽的量占饱和量的比例就加大了,相对湿度就上升了。因此为了避免凝露,需要根据柜体外部的温度适当调整柜内温度。

下面结合温度,相对湿度,绝对湿度图来说明具体的工作条件变化。图中横轴为温度,纵轴为相对湿度,斜线是绝对湿度,从右到左绝对湿度逐渐减小(Cabs=1表示绝对湿度为1g/m3Cabs=2表示绝对湿度为2g/m3,以此类推Cabs=25表示绝对湿度为25g/m3)。3K22的工作范围如图中红色数字1-2-3-4-5-1曲线所包围的区域。

  • 1点画虚线表示绝对湿度25g/m3
  • 2对应温度40度不变的曲线
  • 3包括绝对湿度1g/m3和相对湿度5%相交的包络线(更详细的可以参照IEC60721-3-3B.1
  • 4温度为5度不变的曲线
  • 5表示最高相对湿度85%

假设IGBT工作的变频柜大气条件如图中蓝色方块所示(绝对湿度8-25g/m3,相对湿度最高85%,温度12-33度)。根据热力学定律,对于体积一定的密闭空气,当绝对湿度不变,温度变化时,可以依据下面的公式计算温度增加后对应的相对湿度。

其中T3k22,rH3k22是标准3K22给出的温度以及对应的相对湿度

Teff是考虑自加热后的器件温度,rHeff为该温度下计算后对应的相对湿度

WKB是常数

依据上面的公式,当该设备处于运行状态时,温度升高10度,绝对湿度保持不变,因此其工作条件就变为图中橙色的范围,从中可以看出,相对最高湿度从85%有减小到50%,而且相对湿度的范围也相应减小。如果温升为20度,相对湿度会进一步减小到30%,因此随着温度的提高相对湿度会显著下降。

结论

1.尽管IGBT期望的相对湿度在5%-85%,但是由于在实际工作中功率半导体会发热,因此温度会上升,而绝对湿度是不变的,温度上升会导致相对湿度减小。

2.假设半导体器件在湿度比较高的环境条件下长时间放置,为减少凝露确保器件正常运行,在使用前建议采用适当的加热措施,提高温度,降低相对湿度。

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作者: 深圳市亿伟世科技有限公司
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IGBT模块工作环境温湿度条件解析
在散热器上安装的IGBT模块并非密封设计,尽管芯片上方有一层硅胶,但是水汽仍然可以通过外壳间隙以及硅胶进入器件芯片内部。因此,器件在使用和存储过程中,必须避免湿
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