英飞凌 | 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。

IEC 60721-3-3标准把气候条件分成5类:

● 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1 g/m3，Cabs=2 表示绝对湿度为2 g/m3，以此类推Cabs=25 表示绝对湿度为25 g/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IEC 60721-3-3 图B.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8-25 g/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, rH 3k22 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， rH eff 为该温度下计算后对应的相对湿度

W，KB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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