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品质体系大揭密,看逆变器诞生的“残酷”过程
2018-05-24

导语 :

    20世纪是生产率的世纪,而21世纪已经是品质的世纪,质量是未来企业占领市场最有力的武器。——约瑟夫·M·朱兰博士。

    品质是企业和消费者的生命,品质创新是支撑企业快速成长和承担社会责任的推动力,产品质量是企业发展的基础与基本保证。通过以品质和创新为基石,古瑞瓦特走出了一条全矩阵高质量发展之路。

    评价一款逆变器是否优质的指标有关键器件选型、产品性能、产品功能、技术创新、可靠性等,每个指标都很重要。但对逆变器厂商来说最重要的是建立一套完善完全可控的产品品质管理体系,这样才能保证每台逆变器适应严酷的应用环境,在长达20年的寿命期内能满足客户的高品质需求,为光伏电站保驾护航。

    古瑞瓦特逆变器从设计到量产分5个阶段:产品专案立项、功能样机、工程样机、试产阶段、及批量制造阶段。根据产品开发的难易度,整个开发周期持续6~18个月不等。

    在整个开发过程中,除了满足在立项阶段预期的功能和规格之外,整个项目开发团队包括研发技术人员、品质代表、市场代表、客服代表、中试代表、制造代表,始终恪守“产品品质是公司的生命线”的匠心理念,严格落实五大品质工程:设计工程、器件工程、测试工程、环境与可靠性工程、制造工程。这五大品质工程构成一个完整且不可分割的体系,环环相扣,闭环控制,追求完美。

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古瑞瓦特逆变器品质体系

 

1设计工程

    设计是产品开发的第一步。设计的实力及品质决定一款产品的根基。逆变器的设计工作包括总体技术方案规划如拓扑结构、软件规划、资源规划等。接着需要进行如硬件电路设计、软件设计,结构设计等,以满足逆变器的各项基本性能,此过程中可靠性相关如散热设计,电磁兼容EMC设计,提高安全性能的安规设计等都是需要研发人员花费巨大精力设计、测试验证、改进设计、再测试直至达到规格及品质标准。这个过程,是对一款产品精雕细琢的最真实写照。

    设计是一个繁琐的过程,如硬件电路的设计,逆变器内部电路由一个个小单元组成一个个具备不同功能的集成电路,再由一个个集成电路组成一个大的系统,所有这些都不是一次成型的,前期需要经过仿真软件对设计的电路进行模拟仿真,初步验证其功能能否满足要求

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硬件电路仿真

 

    经过仿真验证后,进入到实际硬件电路测试平台搭建,对各个集成电路进行长期的调试,对各功能电路如供电电路、升压电路、逆变驱动电路等等进行调试工作;对一些保护性能如过欠压保护、过流保护、ISO检测、漏电保护等进行软件逻辑验证;研发项目组进行完至少两轮自测之后,必须由独立于研发部门的测试验证部再进行一轮完整的产品系统测试,只有通过测试验证部门的系统测试,确保产品性能满足要求才能够进入试产阶段。

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设计阶段长期的测试验证过程

 

    散热性能是影响逆变器寿命及可靠性的关键因素之一,在逆变器内部凡是经过大电流的功率型器件,如IGBT、电感等都需特别关注其在各种严苛工作环境中的温升,以确保逆变器能够长期稳定的工作。除了这些关键的元器件,还需另外监测大约30多个点的温升,以确保整个逆变器的寿命和可靠性。

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逆变器热仿真示意图

 

    在确定逆变器拓扑结构及电路参数后,散热设计工作开始,包括反复的建模进行热仿真和设计优化(结构布局优化,工艺优化,散热器选择)。热仿真是模拟逆变器的真实运行状态,仿真软件会呈现逆变器内部温度不符合标准的部位,不断进行结构和工艺优化,直到达到预期的规格标准。逆变器的两大散热源,一个是IGBT,一个是电感。古瑞瓦特已取得晶体单管压接工艺专利,这种压接工艺确保晶体管能够在长期的工作过程中紧密均匀贴合散热器,确保晶体管长期的散热可靠性,间接地保护逆变器的稳定性和寿命;为了确保电感的质量和可靠性,古瑞瓦特自主研发了密封罐胶电感,经过理论分析和大量试验,这种密封罐胶技术可以有效加速热量传递,控制逆变器内部的温升。电感开发出来要进行参数的测试满足基本性能要求,其次要确保在极度恶劣环境下的稳定性,要设计一系列的环境可靠性测试,如高低温循环测试等,通过这些测试能检验出其使用材料如外壳、罐胶的可靠性,以及工艺可靠性,最后在整机上测试。

    产品的设计过程是煎熬的,但把产品设计到符合并超用户需求,高于品质指标,是古瑞瓦特整个研发团队的使命。

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电感专利技术(专利号:201520371560.8)

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晶体管压接技术与常规压接技术对比

 

2器件工程

    古瑞瓦特设有专门的器件可靠性部门,由多位有十几年经验的器件工程师对器件的品质进行严格把控。在立项阶段,元器件选型开始,单体认证进行,核心元器件如IGBT单管或模块、电容、继电器、传感器等,古瑞瓦特均使用国际一线品牌,严控内核品质。与此同时,器件工程师会对元器件本身进行参数认证,单单一个PV端子就有多达10来项的测试,如阻燃性测试、插拔力测试、DPA测试等。以继电器举例,需要经过x光照射、显微镜观测、DPA测试等。

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古瑞瓦特逆变器核心元器件多使用国际一线品牌

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X-RAY检测技术分析继电器内部结构

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利用显微镜分析继电器触点材料(SEM分析)

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PV端子解剖分析

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对IGBT进行DPA分析


    DPA分析(Destructive Physical Analysis)即破坏性物理分析,它是在电子元器件成品批中随机抽取适当样品,采用一系列破坏性的物理试验与分析方法,以检验元器件的设计、结构、材料、工艺制造质量是否满足预定用途的规范要求。一般在航空、航天、通信、医疗器械、汽车电子等高可靠性要求领域才会使用DPA分析技术。   

    古瑞瓦特是逆变器厂家中采用DPA分析技术的极少数,上图所示的显微镜(金相显微镜及体视显微镜)是DPA分析必不可少的测试设备。器件单体认证通过只是第一步,后续的产品开发过程中,针对器件进行整机相关性能测试,及环境可靠性、长期可靠性测试评估,一个器件的选型认证这才算真正完成。因此,器件选型在品质体系中是一项庞大的工程,古瑞瓦特拥有一支专业的产品可靠性管理团队,并设有专门的品质实验室和设备,对器件可靠性和整机可靠性的品质把关。

 

3测试工程

    测试工程是整个开发过程中验证产品性能及其可靠性的重要手段,对产品进行长期性的测试工作:发现问题-整改优化-测试-再优化,直到产品性能达到最优化。

    测试工程师在设计开发阶段根据产品的详细规格和运用场景制定测试用例,其测试用例涵盖白盒极限应力、输入端、输出端、综合测试、人机界面、环境适应性和长期可靠性等多个维度共计70余项,站在独立客观且测试技术齐备的立场上,为研发产品的功能性和可靠性等达到既定的规格标准提出公正的技术判断,提前发现产品缺陷进行设计更改,保证产品开发品质。古瑞瓦特的研发产品不仅要通过公司严苛的测试验证部测试通过,还需通过各国各种标准法规的认证体系共计20余项,大部分都是国际权威的认证机构进行独立的第三方测试认证。

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设计过程多达70多项的测试项目

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部分第三方认证标准

 

4可靠性工程

    要保证逆变器在各种各样的环境下稳定可靠的运行,需对逆变器进行各项可靠性测试。古瑞瓦特有一套完整的可靠性测试验证设备,在研发及量产的各阶段进行综合的可靠性试验。结构可靠性上,进行高于IP65防护等级以上的可靠性测试,如防水测试、气密性测试,验证机械强度的跌落测试、震动测试;在环境可靠性上,做高低温测试、盐雾测试、雪霜测试、老化测试等,验证其在极限恶劣环境适应性。此外,还需进行HALT高加速寿命测试,DFMEA失效模式分析。

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模拟各种恶劣环境下逆变器的耐受性

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HATL高加速寿命测试

 

    HALT是一种发现缺陷的工序,它通过设置逐级递增的加严的环境应力,来加速暴露试验样品的缺陷和薄弱点,对暴露的缺陷和故障从设计、工艺和用料等诸方面进行分析和改进,从而达到提升可靠性的目的。

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长期可靠性测试

24小时满载运行超3年,相当于常规运行超15年

 

    古瑞瓦特特设立了长期可靠性实验室,对批量不同型号逆变器进行长期可靠性试验,对数据进行分析记录,通过不断的测试分析,优化改进,排除影响产品可靠性的因素。

 

5制造工程

    产品的制造能力、工艺水平体现在生产设施以及工艺流程的设计上,古瑞瓦特拥有高智能化、标准化、自动化的生产线,严苛的工艺要求,严格的品质管控体系贯穿于每一个环节,古瑞瓦特从成立之初就把品质这一核心落实到每处,品质已渗透到古瑞瓦特每一个员工的灵魂里。

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生产车间随处可见的质量文化宣传栏

 

    工欲善其事必先利其器,先进的制造设备是制造品质的保证,古瑞瓦特对逆变器产品线的投入巨大,引进了全自动化PCBA贴片生产线、插件生产线、 PCBA光学检测设备、自动化三防漆涂覆设备、ICT测试设备、自动化测试平台、自动吸吊系统、老化监控系统等等先进的制造技术和设备。

 

PCBA生产线

    PCBA是指逆变器内部的电路板,其制造工艺决定了逆变器的性能,PCBA品质是整个制造过程极其重要的一环。PCBA由其元器件的封装工艺不同,分成两大制造工艺,一个是贴片工艺,一个是插件工艺。

    一块绘制好的PCB经过贴锡膏—锡膏检测—放置贴片器件—防错料检测—回流焊焊接—AOI光学检测最后形成PCBA半成品。

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SMT自动化贴片生产线                 防错控制设备

 

    古瑞瓦特建立了全流程的问题追溯系统,兼具防错控制和追溯功能。在SMT上每一个贴片器件都要经过扫描,通过系统确认是否正确,交付给客户的每台机器都能按照序列号在数据库中查询当时的工艺和用料情况,另外,SMT上还投入使用了锡膏检测的SIP光学检测仪,焊点检测的AOI光学检测设备,层层把关,确认每一个步骤后方可进入下一工序。

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SPI锡膏检测仪                     AOI焊点检测仪

 

    在辅料方面,古瑞瓦特也是投入巨大。贴片焊接的辅助材料锡膏,采用的是国际TOP1的锡膏Alpha ,使用Alpha锡膏可以保证贴片器件离子残留度最低,从而提高PCBA长期运行可靠性;如果离子残留较高,长期运行容易引起PCB CAF效应(金属电迁移),稳定性将大大降低。

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国际一流品牌锡膏ALPHA

 

    经过贴片焊接,接下来是插件的焊接,经由上一个步骤生产的PCBA半成品,经过放置插件-波峰焊焊接—插件剪脚—AOI光学检测—ICT检测—人工检测加焊最后形成了PCBA的成品,此过程同样也需经过多道检测过程,以确保PCBA的质量。

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PCBA插件车间                     AOI光学检测仪

 

    为了更好的做好PCB与电子器件的防护,古瑞瓦特引入全自动的三防漆喷涂产线,三防漆喷制路线、覆盖区域、三防漆厚度都是通过程序严格控制,喷涂完成还需要经过荧光灯的确认,最后经过烘干线进行烘干,保证PCBA能经受各种恶劣环境的考验。

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全自动喷涂产线

 

    古瑞瓦特的产品从设计之初到最后的生产制造,高品质理念贯穿在整个产品的生命过程中。从设计阶段基于产品的风险和安全有效性,制定高品质标准;测试验证阶段,制定完善的验证策略和控制策略;制造阶段,引进先进的生产设备,成熟可靠的生成工艺,为产品的品质管理和高效生产打下了坚实的基础。

    在今年的两会期间,政府工作报告中提出,加快制造强国建设。全面开展质量提升行动,推进与国际先进水平对标达标,弘扬工匠精神,来一场中国制造的品质革命。

    属于古瑞瓦特的品质革命,其实已经早早开始。

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