引领行业：英飞凌IGBT模块以先进的耐硫化氢腐蚀性能提升海上风电变流器的可靠性

我国海上风能资源丰富，可开发风能资源约是陆上资源的3倍。随着“3060”碳目标的确立和逐步落地，海上风电必将迎来更加广阔的发展空间。

与陆上风电相比，海上风电的生存环境更恶劣、可达性更差，所以风机由于故障停机导致的交通成本、运维成本和停机损失也远远高于陆上。对于海上风电来说，后期运营维护费用会占相当一部本成本，所以变流器作为能量转换核心部件，其可靠性设计没有上限。

“多一分投入，少十分运维；多一份可靠,少一些出海”，这是全球风电人的共识。在这点上，欧洲海上风电整机商起步早，积累多，他们认为并且践行“器件数量尽量少，系统可靠性越高”的原则，用尽可能少的IGBT模块设计大功率变流器已成行业共识。

H2S（硫化氢）气体大家并不陌生，通常首先想到的是臭鸡蛋气味。H2S达到临界水平的恶劣环境在造纸、采矿、废水、石化加工以及橡胶业中尤为常见。

H2S对于功率半导体而言，是最具威胁的腐蚀性污染物。IGBT模块在运行期间通常会升至高温，在所施加电压的作用下，一定浓度的硫化氢气体会发生反应生成硫化铜（Cu2S）晶体。IGBT模块内部的电化学反应过程参见图1。Cu2S这种导电结构会在陶瓷基板DCB上的覆铜沟槽内蔓延，并在最坏的情况下，引发短路。图2给出了H2S腐蚀IGBT模块的示意图。

图1：硫化铜产生过程：H2S在IGBT模块内部的电化学反应[1]

图2：从左到右：无H2S腐蚀；硫化铜晶体生长；IGBT模块内部短路。

2013年，英国的Teesside offshore wind farm（蒂赛德海上风电场：27台2.3MW机组）的塔筒里，检测到了浓度不断升高的硫化氢气体（H2S）。图3是其中一台风机一周内的H2S浓度监测数据，H2S浓度基本随时间线性变化。在开始监测之前，先启动塔筒环控设备，H2S浓度从29ppm降低到了1ppm。然后通风设备停止工作，H2S浓度在随后的一周内又增加到了大约7ppm。

尽管环控设备能有效的降低H2S浓度，但是1ppm仍然是ISA 71.04-2013标准规定的恶劣（G3）级别上限（≤2000Å/50ppb,i.e.0.05ppm）的20倍，见表1。

图3：海上风机一周H2S浓度监测数据，来源：Management of Hydrogen Sulphide (H2S) Gas in Wind Turbine Sub-Structures: identifying and managing H2S,Figure 9

H2S不但危害人体的健康，而且影响电子器件和电气连接部件的性能，是风电机组环控和变流器长期可靠运行所面临的主要环境挑战之一。

因此，基于上述风电场案例，在含有H2S的机组内，首先要对塔筒进行环控。其次，变流器作为能量变换的核心，最好使用有一定耐H2S腐蚀能力的IGBT模块，以实现在特定H2S环境下的预期寿命，进一步增强变流器的环境适应性和可靠性，从而降低整机商的运维成本和开发商的全生命周期持有成本。

应用需求助力产品开发，英飞凌采用先进的H2S防护方法能够阻止H2S进入模块敏感区域，因此可以延长IGBT模块在H2S恶劣环境下的使用寿命。

为了确认这一点，英飞凌根据ISA 71.04-2013标准（见表1），设计了一个专有的HV-H2S测试（高电压-高硫化氢浓度测试），证明其H2S增强防护型IGBT模块能够在特定条件下长期可靠运行，测试条件见表2。该标准根据H2S污染影响的严重程度从“轻度（G1）”到“严重（GX）”划分了四个级别。英飞凌的H2S测试条件涵盖了广泛的工业应用，为评估IGBT模块可靠性，提供了一个可量化的方法。

表1：ISA 71.04-2013规定的不同应用环境的腐蚀严重程度[2]

表2：英飞凌专为验证IGBT耐H2S腐蚀开发的HV-H2S测试条件

ppm和ppb都可以用来表示空气污染物的浓度，其换算关系为1ppm=1000ppb。

测试结果表明，采用H2S增强防护的IGBT模块未显示出硫化铜晶体生长，如图4-右图所示。作为对比，图4-左图未采用H2S增强防护，红圈中的沟槽内已经生长了大量的硫化铜晶体。

图4：左图为标准IGBT模块，Cu2S晶体生长（红圈内白色沟槽中的黑色物质）；右图为H2S增强防护IGBT模块，未发现Cu2S晶体

在实际应用中，不太可能出现50ppm的H2S浓度。为了进一步体现HV-H2S测试条件对于客户系统的价值。英飞凌通过大量的研究，采用表2的工作条件并且只把H2S浓度设定为ISA 71.04-2013 标准G3级别的上限0.05ppm（略低于IEC60721-3，3C2等级的平均值0.071ppm），得出采用H2S增强防护的IGBT模块预期使用寿命20年，工作条件如下：

• 600Vdc(1200V IGBT);

  1000Vdc(1700V IGBT)

• 温度85℃

• 相对湿度85%

• H2S浓度0.05ppm（50ppb）
  

寿命变化趋势是明确的，比如电压越高或者温度越高，寿命越短；反之，寿命越长。有关英飞凌对于IGBT模块HV-H2S可靠性研究的详细细节，请参考文献1。

H2S增强防护型第五代大功率IGBT模块除了高结温（175度）、高功率密度（1800A）、长PC寿命（PC：power cycling,功率循环）和长TC寿命（TC: thermal cycling）外,还具有强大的H2S增强防护性能，称得上是“全才”，可以完美匹配高可靠性海上风电变流器对IGBT的需求。

下图是PrimePACKTM™ 3+封装的第五代大功率IGBT模块，有1500A和1800A两种电流等级。通过并联可以轻松匹配不同功率等级的变流器。大约70-80个1800A模块可以实现高达12-14MW/690V和8-10MW/1140V，具体功率等级取决于系统设计。

PrimePACKTM3+IGBT5—FF1500R17IP5 1500A/1700V;FF1800R17IP5 1800A/1700V

海上大功率风机（超大功率风机）要长期可靠的在恶劣的海洋环境运行，除了桩基、塔筒、发电机和叶片之外，承载着每一度电能的变换变流器及其核心部件IGBT模块，是决定整机可靠性的关键一环。IGBT之于风电机组，如同心脏之于人体，对于这么关键的部件，选用基于高可靠性IGBT的高品质变流器，是降低风电场全生命周期运维成本和实现高可靠性海上风电场这一目标的明智之举。

英飞凌第五代大功率IGBT模块拥有强大的H2S腐蚀增强防护性能，高功率密度以及长寿命，是高可靠性海上风电变流器的首选。它在欧洲风电市场已经遍地开花，在中国风电市场也已播种发芽。尽管中国风电市场成本压力更大，但是大海是公平的，它会最终犒赏具有更高可靠性的风机。