高壓變頻器散熱與通風(fēng)的設計

　　1 引言

　　在電力、化工、煤礦、冶金等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域要求高壓變頻器有極高的可靠性。影響高壓變頻器的可靠性指標有多項，其中在設計過(guò)程中其散熱與通風(fēng)是一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節。目前高壓變頻器有高-低-高式、元件直接串聯(lián)式、中點(diǎn)箝位多電平式、單元級聯(lián)式等多種方式，一般來(lái)講，上述各種方式的高壓變頻器，其效率一般可達95~97%;但由于設備功率大，一般為mw級，在正常工作時(shí)，仍要產(chǎn)生大量的熱量。為保證設備的正常工作，把大量的熱量散發(fā)出去，優(yōu)化散熱與通風(fēng)方案，進(jìn)行合理的設計與計算，實(shí)現設備的高效散熱，對于提高設備的可靠性是十分必要的。

　　高壓變頻器在正常工作時(shí)，熱量來(lái)源主要是隔離變壓器、電抗器、功率單元、控制系統等，其中作為主電路電子開(kāi)關(guān)的功率器件的散熱、功率單元的散熱設計、及功率柜的散熱與通風(fēng)設計最為重要。

　　2 功率器件的散熱設計

　　通常對igbt或igct模塊來(lái)說(shuō)，其pn結不得超過(guò)125℃，封裝外殼為85℃。有研究表明，元器件溫度波動(dòng)超過(guò)±20℃，其失效率會(huì )增大8倍。功率器件散熱設計關(guān)乎整個(gè)設備的運行安全。

　　2.1 在進(jìn)行功率器件散熱設計時(shí)應注意的事項

　?。?） 選用耐熱性和熱穩定性好的元器件和材料，以提高其允許的工作溫度;

　?。?）減小設備（器件）內部的發(fā)熱量。為此，應多選用微功耗器件，如低耗損型igbt，并在電路設計中盡量減少發(fā)熱元器件的數量，同時(shí)要優(yōu)化器件的開(kāi)關(guān)頻率以減少發(fā)熱量;

　?。?） 采用適當的散熱方式與用適當的冷卻方法，降低環(huán)境溫度，加快散熱速度。

　　以目前最常見(jiàn)的單元級聯(lián)式高壓變頻器為例，對其中一個(gè)功率單元為例進(jìn)行熱設計。功率器件采用igbt，其電路如圖1所示。

　　2.2 損耗功率的估算

　　在設備穩態(tài)運行時(shí)，功率單元內整流二極管、igbt、續流二極管總的功率損耗即為散熱器的耗散功率。因此熱設計的第一步就是對上述器件的總功耗進(jìn)行估算。

　　圖1 功率單元電路圖

　?。?） igbt的功率損耗一般包括通態(tài)損耗、斷態(tài)損耗、開(kāi)通損耗、關(guān)斷損耗和驅動(dòng)損耗，在估算時(shí)主要考慮通態(tài)損耗、開(kāi)通損耗與關(guān)斷損耗;

　?。?） 對續流二極管來(lái)講，主要估算它的通態(tài)損耗與關(guān)斷損耗;

　?。?） 整流二極管在低頻情況下的損耗功率

　　主要為通態(tài)損耗，確定其通態(tài)功耗的簡(jiǎn)便方法是從制造廠(chǎng)給出的通態(tài)損耗功率與通態(tài)平均電流關(guān)系曲線(xiàn)直接查出。

　　上述功率單元總的功耗為：p=（pss+psw）×4+pd×6 （5）

　　2.3 穩態(tài)下的結溫計算

　　結溫的計算是建立在如圖2所示的簡(jiǎn)化熱阻等效電路的基礎上的。上述功率單元的簡(jiǎn)化熱阻等效電路如圖2所示。

　　圖2 igbt的熱阻等效電路圖

　　圖2中：rθ（j-c）是器件結到管殼基準點(diǎn)穩態(tài)熱阻，由制造廠(chǎng)家提供，一般在數據表中給出上限值或給出瞬態(tài)熱阻曲線(xiàn)取t→∞的穩態(tài)值;

　　rθ（c-a）是管殼未通過(guò)散熱器直接到空氣的熱阻，通常不考慮;

　　rθ（c-s）是管殼到散熱器的觸熱阻，通常由制造廠(chǎng)家在數據表中給出;

　　rθ（c-a）是散熱器基準點(diǎn)到環(huán)境基準點(diǎn)的熱阻，其值由散熱器形式、尺寸和冷卻方式?jīng)Q定;

　　ta是環(huán)境溫度。

　?。?） 靜態(tài)熱阻

（6）

　?。?） 瞬態(tài)熱阻

　　由于電力電子器件工作在周期性的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，就需考慮其瞬態(tài)熱阻所造成的結溫波動(dòng)是否超過(guò)最大結溫。瞬態(tài)熱阻反映散熱途徑中熱載體的熱阻和熱容量的綜合效果。瞬態(tài)熱阻抗可由下式求得：

　　通常處于周期性脈沖功耗負載下的平均和最大結溫可以參考廠(chǎng)家所給出的瞬態(tài)熱阻曲線(xiàn)來(lái)計算。如圖3示出了eupc型號為bsm400ga120dlc的igbt模塊瞬態(tài)熱阻曲線(xiàn)zthjc=f（t）。

　　圖3 igbt模塊瞬態(tài)熱阻曲線(xiàn)

　?。?） 穩態(tài)下的結溫計算

　　通過(guò)上述方法分析得到整個(gè)功率單元所有的功率損耗，然后按照下式計算電力電子器件的結溫或計算散熱器的熱阻。

　　同時(shí)在計算熱阻時(shí)，應考慮到損耗功率的波動(dòng)與負載的波動(dòng);即在考慮結溫的平均值的同時(shí)，應考慮到其波動(dòng)的幅度。通常情況下，需保證在給定條件下所出現的最高結溫不大于其最大定額150℃，計算穩態(tài)結溫時(shí)考慮留出5℃的裕度。

　　3 功率單元的散熱冷卻設計

　　功率單元中的元器件主要包括整流二極管、igbt

　?。ɑ騣gct）模塊、電容、快速熔斷器、母線(xiàn)開(kāi)關(guān)器件驅動(dòng)電路以及其它一些保護電路。除二極管整流模塊與igbt模塊（igct）外，其余元器件由于在功率單元中通過(guò)支架等方式安裝，在保證足夠的空間距離與必要輕微空氣的對流的條件，已滿(mǎn)足其散熱要求。因此功率單元的冷卻設計主要考慮二極管整流模塊與igbt模塊（igct）的散熱要求。

　　功率器件的耗散功率所產(chǎn)生的溫升需由散熱器來(lái)降低，通過(guò)散熱器增加功率器件的導熱和輻射面積、擴張熱流以及緩沖導熱過(guò)渡過(guò)程，直接傳導或借助于導熱介質(zhì)將熱量傳遞到冷卻介質(zhì)中，如空氣、水或水的混合液等。目前在高壓變頻器中常用到的冷卻方式為強制空氣冷卻、循環(huán)水冷卻、熱管散熱器冷卻。

　　3.1 強制空氣冷卻

　　強制空氣冷卻用的散熱器通常是一塊帶有很多葉片的良導熱體，散熱器熱阻（r（s-a））估算公式：

　　式（9）中：k為散熱器熱導率;

　　d和a分別是散熱器的厚度和面積，分別以cm和cm2表示;

　　c是一個(gè)與散熱器表面和安裝角度有關(guān)的修正因子。

　　此式在空氣溫度不超過(guò)45℃時(shí)成立。

　　值得注意的是，散熱器的制造工藝會(huì )影響到其導熱系數，如鑄造鋁合金、擠壓成型或釬焊散熱器應區分考慮。同時(shí)在選配散熱器時(shí)應考慮：散熱器根部厚度應滿(mǎn)足熱的傳導;翼片的數目與波紋在保證最大散熱面積的前提下不至于產(chǎn)生太大的流體阻力;翼片的高度與厚度之間的比例要合理。如要保證散熱有較大的裕量