太陽能發電系統通常直接暴露在室外環境工作，經常遇到高溫、高寒、高濕、大風沙，淋雨，鹽霧等惡劣氣象條件。華為可靠性實驗室業界首創開發出了溫度、濕度、腐蝕性粉塵三綜合應力試驗設備，使得逆變器產品在惡劣場景應用具有卓越的適應能力。針對戶外應用，采用高溫、淋雨、帶電溫循、外場暴露等加速方法，驗證了逆變器的長期可靠性，保證設備長期穩定運行。

1.溫變影響機理

溫度不同，材料結構的分子運動的速度不同，在不同材料之間就出現膨脹系數、熱傳遞性能的匹配差異，容易導致部件的卡緊件松弛。IGBT模塊和散熱器之間的熱不匹配、不同材料的收縮或膨脹率不同，可誘發部件的變形或破裂、表面涂層開裂、氣密性變差或泄漏、絕緣保護失效等。通常溫度變化慢，影響不明顯。急劇的溫度變化可能會暫時或永久的影響設備的正常工作。

同時溫度的快速變化，容易在單板，機殼等位置形成凝露，結水或結冰等現象，這對逆變器的運行帶來較大的風險。

2.溫變影響案例

影響逆變器溫度的主要是地域溫差、晝夜溫差、季節溫差、天氣變化如太陽、風、雨等形成的溫差。同時自然散熱在熱源和器件、外殼之間也形成溫差，導致逆變器個部件之間形成溫差。在北方地區冬季溫度較低，很多地方低于-20℃，夏季溫度超過40℃，晝夜溫差20℃、季節溫差60℃，同時逆變器外殼的溫升在20~30℃，內部IGBT的溫升在40~50℃。這樣容易在內部腔體內形成溫度差和各個部位的溫度差，并且溫度變化頻繁，這些對產品材料的選擇提出了嚴峻的挑戰。

此外早晚開機功率輸出，突變的陣雨及惡劣的天氣變化，溫變速率大，容易在一些部件上形成凝露，這也將影響逆變器的安全運行。



圖1某西北地區一年中溫度變化曲線



圖2 實際出現結冰情況 



圖3 模擬可能淋雨的場景 



圖4 模擬濕塵腐蝕試驗

3.應對解決方案　　

產品設計上要考慮溫差的影響，同時考慮凝露風險，如單板集中、涂覆保護、內部風扇散熱等多項措施。在驗證方面一般采用高溫淋雨試驗和PTC帶電溫循試驗來驗證整機性能，作為查找薄弱點的主要方法。同時通過外場暴露來補充驗證嚴酷環境的長期適應能力。

設計中考慮溫度均衡、溫差分布連續，防止內部形成明顯的溫差，從而平衡內部單板溫度。提高產品對溫變的適應性。通過熱仿真的方法分析散熱器、內部功率管、PCB單板器件等的熱數據，設計中使熱平衡均勻分配。



 圖5 內外部風道分析圖  



圖6  整機熱仿真分析

4.試驗驗證方法

4.1高溫淋雨試驗

4.1.1高溫淋雨試驗的場景分析

淋雨試驗室在高溫、高濕的條件下，通過冷水直接沖淋試驗樣品，讓樣品外部快速降溫，此不僅是驗證試驗樣品的IP防護等級，同時也是驗證內部凝露的風險。一般通過內部貼濕度試紙的形式來檢查內部是否發生凝露。同時也可進行帶電試驗，檢測逆變器在高溫淋雨時是否得到保護或失效。

夏天在高濕特別是在熱帶雨林地區使用的時候模塊內部容易有凝露情況發生，通過淋雨試驗來檢驗IP65等級的抗凝露能力，優化內部單板設計。正常使用時，模塊內絕對濕度變化非常小，而下雨天模塊內的平均溫變速率已大于了4度/分鐘，加上風速影響，溫變率會進一步加大。

4.1.2高溫淋雨試驗方法

在專用的淋雨箱保持10H，自動開啟噴水，同時溫箱開始降低，功率開始關閉，噴水0.5H后，開啟功率，10分鐘后，關閉噴水,在噴水快速降溫的過程中，關閉逆變器的功率，能提高溫變率，兼容逆變器內部損耗影響。如此循環10次,時間168H。試驗過程中檢測功率運行機器情況。試驗完成后開箱檢查試紙情況。



圖7  淋雨試驗時序圖。



圖8 淋雨試驗場景



圖9  淋雨試驗前后內部單板試紙比較

4.2PTC帶電溫循試驗

4.2.1快速溫循的場景分析

PowerandTemperatureCyclingTest：帶電溫循測試

帶電溫循測試的目的是為了暴露產品在不同溫度條件長期運行時的潛在缺陷。通過循環的快速溫變加速產品在實際的場景的高低溫的變化，驗證產品對環境的適應性和長期可靠性的主要方法，特別是材料的熱匹配特性。通過帶電運行的方式，能實時的檢測逆變器狀態。

4.2.2PTC帶電溫循試驗方法

業界大部分試驗最多用300CYCLE。由于逆變器的特殊性，每天都在溫變，壽命期內的溫變光晝夜溫變次數為365*25=9125次，采用1000CYCLE的加速驗證是必要。最低溫度到-40℃，高溫到80℃,溫變15℃/分鐘，具體的參考下面的試驗時序曲線圖。

高溫和低溫停留時間根據產品自身的熱容特性選擇，對于密閉型較大樣品建議選擇1H以上。在高溫和低溫過程中，可進行多次的上電和下電試驗測試。驗證低溫和高溫啟動性能。在高溫段，可增加多次上電下電操作（間隔時間大于逆變器并網最小間隙時間）。

試驗完成后可對內部單板進行檢查，還要求對內部單板，功率管進行檢查，看是否存在裂縫，焊接不良，器件的封裝和本體無開裂現象，塑料無明顯的變形等。檢查完成后可進行完成的電特性測試，分析試驗前后特性是否沒有明顯的劣化。



圖10  PTC試驗時序曲線



圖11  PTC試驗場景圖

4.3外場暴露

4.3.1外場暴露的場景分析

外場暴露可讓逆變器在太陽光照下直接照射，比專門的模擬光照試驗更接近實際場景。為了更好的模擬實際的現場，放到沿海地區爆曬不僅綜合驗證了抗潮濕、抗鹽霧、抗太陽暴曬能力。海南萬寧是一個比較理想的暴露外場，其有高溫、高濕、高鹽。此地區臺風、降雨、高溫交變明顯。在夏天，最高溫度到35℃，機器外殼到60℃以上，在突變的下雨條件下，外殼降低30℃。海邊外場是一個咸濕、淋雨、快速溫變綜合試驗，能更好的驗證產品的穩定性。

4.3.2外場暴露試驗方法

選擇海邊350M的試驗區。通過支架斜掛固定架，接入專用的模擬的PV直流源，監控系統，直接和電網并網。每周對逆變器的狀態進行巡檢，觀察其發電量，內部溫度的主要參數。外場暴露是一個開放的資源環境，試驗站每天記錄濕度、溫度、分析鹽分含量。模擬逆變器運行，每天早上7:00開機，并網輸出功率，晚上7:00后待機，關閉功率輸出。試驗周期1年以上。



圖12  海上試驗平臺  



圖13  350M試驗區逆變器外場暴露實驗

5.總結

華為產品一直重視長期可靠性，不僅要求產品按長壽命設計，還在材料特性、熱分、材料的匹配等方面進行了長期的研究，積累了豐富的工程設計和試驗經驗。同時，華為具備世界一流的設備可靠性測試實驗室。該實驗室，擁有業界最全的產品全環境應用場景的模擬測試能力，以及先進的可靠性測試能力，包括氣候、機械、室外風吹雨、太陽輻射、結冰等全場景測試能力，領先HALT測試、加速灰塵腐蝕等可靠性能力。

任何華為的產品均需要經過嚴格的質量測試。無論在寒冷的北冰洋，還是酷熱的非洲，無論是海邊的高鹽霧環境，還是西北的沙漠地區，華為的產品經受了自然界惡劣嚴格的考驗，屹立不倒。

光伏逆變器方面不僅借鑒了我司無線產品全球室外應用的經驗，還專門研究了逆變器行業的獨特應用環境。從設計、試驗上保證了產品的長期穩定可靠運行。我們始終信奉一個理念，質量是我們的生命，數據真實無情，服務客戶有情。通過這樣的千錘百煉，我們的產品應用遍布全球，質量也得到了客戶的廣泛好評。