高壓變頻器散熱與通風(fēng)的設計

　　3.2 循環(huán)水冷卻

　　高壓變頻器采用循環(huán)水冷卻方式可以大大提高散熱效率，使得單位功率的體積小，可極大的減小整機的尺寸。與強制空氣冷卻相比，散熱器表面與流體的溫差比較小，一方面可以提高功率，另一方面可以降低芯片的溫度，提高其壽命。但采用循環(huán)水冷卻方式需要有水循環(huán)與處理設備，增加了設備的復雜程度。采用該方式時(shí)，應注意為防止純水會(huì )引起生銹與結凍，一般采用水與醇混合?；旌媳壤龝?huì )影響到冷卻液的熱阻，當混合比例為50%時(shí)，其熱阻一般增大50%。正常情況下應保證水的流速不小于8升/分。

　　在高溫濕熱的環(huán)境中，由于空氣中的相對濕度比較高，當冷卻表面的溫度低于露點(diǎn)時(shí)，水冷散熱器會(huì )引起凝露現象，由此可能造成器件的絕緣破壞。因此水冷式高壓變頻器對環(huán)境要求要高一些。通常水的凝固點(diǎn)為0℃，根據標準要求，額定溫差為5℃，因此工作溫度不應低于5℃;同時(shí)相對濕度≤90%（25℃），相對濕度變化率應≤5%/h。

　　3.3 熱管散熱器

　　熱管散熱器是采用水或其它傳熱流體為冷卻介質(zhì)，密封在具有毛細結構的銅管內的沸騰散熱器。功率器件產(chǎn)生的熱量通過(guò)散熱器傳導給流體，流體汽化后擴散至整個(gè)銅管，以散熱片散熱冷卻成水后回流到吸熱面。熱管散熱器具有傳熱能力強、均溫能力優(yōu)良、熱密度可變、無(wú)外加設備、工作可靠、結構簡(jiǎn)單，重量輕、不用維護等優(yōu)點(diǎn)，一般適用于大功率、分立元件的場(chǎng)合;在一些特殊的生產(chǎn)工況如粉塵比較多的地方（煤礦、焦化廠(chǎng)、部分化工廠(chǎng)）可以采用熱管散熱器，因為可以做到整個(gè)功率變換部分的密閉性。

　　國內的電力電子變換器行業(yè)多年前已采用熱管散熱器。如df4型電傳動(dòng)內燃機車(chē)的電力整流柜改用熱管替換原有的純鋁散熱器;上海威特力焊接設備制造有限公司在400a以上的逆變焊機中每臺都用熱管散熱器為igbt和二極管散熱。但目前還未見(jiàn)到采用熱管散熱的高壓變頻器?？紤]到上述幾種散熱方式，熱管散熱應是首選的考慮。

　　3.4 其它注意事項

　　高壓變頻器無(wú)論采用何種冷卻方式，器件在散熱器上安裝時(shí)應注意其安裝位置。器件在散熱器上的布局應注意以下幾點(diǎn)：

　?。?） 散熱器的中心位置熱阻最小;

　?。?） 在同一個(gè)散熱器上安裝多個(gè)功率器件時(shí)，在考慮各個(gè)器件發(fā)生的損耗情況的基礎上，決定安裝的位置，對產(chǎn)生大損耗的器件應給予最大的面積;

　?。?） 安裝模塊的散熱器表面，應注意螺釘位置間的平面度控制在100以?xún)?，表面粗糙度控制?0以下，表面如有凹陷會(huì )直接導致接觸熱阻的增加;

　?。?）為使接觸熱阻變小，在散熱器與功率元件的安裝面之間應均勻涂敷散熱絕緣混合劑，并施加合適的緊固力矩，使器件外殼對散熱器的接觸熱阻不超過(guò)數據手冊要求的值。

　　4 整機的散熱與通風(fēng)設計

　　高壓變頻器常風(fēng)的冷卻方式主要為散熱器強制風(fēng)冷、循環(huán)水冷卻和熱管冷卻等。因強制風(fēng)冷方式簡(jiǎn)單，不存在水冷時(shí)的凝露問(wèn)題，以及熱管散熱器設計的復雜性，在確定合適的通風(fēng)結構的情況下，一般采用此種方式。采用強制風(fēng)冷方式需要在結構設計時(shí)考慮散熱風(fēng)道。散熱風(fēng)道的設計應在充分考慮單元散熱的要求下，應盡量?jì)?yōu)化。常見(jiàn)的多電平串聯(lián)方式的高壓變頻器，從結構上分為功率柜體、變壓器柜、控制柜。功率柜風(fēng)道設計通常有兩種方式：串聯(lián)風(fēng)道和并聯(lián)風(fēng)道。

　　4.1 串聯(lián)風(fēng)道

　　串聯(lián)風(fēng)道是由每個(gè)功率的散熱器上下相對，形成上下對應的風(fēng)道，其特點(diǎn)由上下多個(gè)功率單元形成串聯(lián)的通路，結構簡(jiǎn)單，風(fēng)道垂直使得風(fēng)阻小;但由于空氣從下到上存在依次加熱的問(wèn)題，造成上面的功率單元環(huán)境溫差小，散熱效果差。其結構如圖4所示。

　　圖4 功率柜風(fēng)道結構圖

　　4.2 并聯(lián)風(fēng)道

　　并聯(lián)風(fēng)道中從每個(gè)功率單元的前面進(jìn)風(fēng)，對應的進(jìn)風(fēng)口并聯(lián)排列，在后面的風(fēng)倉中匯總后由風(fēng)機抽出，同時(shí)整個(gè)功率柜一般采用冗余的方法，有多個(gè)風(fēng)機并聯(lián)運行，整體散熱效果好，并提高了設備的可靠性。但柜體后面要形成風(fēng)倉，增大了設備的體積，同時(shí)由于各個(gè)功率單元后端到風(fēng)機的距離不同，使得每個(gè)功率單元的風(fēng)流量不一致，在設計時(shí)應加以考慮。

　　4.3 散熱風(fēng)機的選擇

　　整個(gè)功率部分采用強制風(fēng)冷的方式，需保證有足夠的具有環(huán)境溫度的空氣源源不斷地流經(jīng)散熱器的表面，使散熱系統達到某種溫度值的熱平衡。在穩定的平衡狀態(tài)下，根據公式：p=h×a×△t，在已確定系統耗散功率p、散熱器有效表面積a與散熱器表面溫度與環(huán)境溫度差值△t的前提下，吸熱介質(zhì)的對流換熱系數h可以求出。美國、日本規定風(fēng)機噪音不得大于65db，所以他們規定的風(fēng)速為2～4m/s。因此在考慮風(fēng)機選擇時(shí)，應保證電力半導體器件風(fēng)冷散熱器3～6m/s的風(fēng)速，一般即可保證h能達到要求。

　　5 結束語(yǔ)

　　目前高壓變頻器多采用強制風(fēng)冷方式，但由于水冷方式和熱管散熱有體積小、效率高、沒(méi)有污染等優(yōu)點(diǎn)，應更新設計理念，大力推廣?？傊?，開(kāi)發(fā)和選擇新型高效散熱技術(shù)對高壓變頻器進(jìn)行冷卻，是提高設備可靠性和縮小設備體積的一個(gè)重要措施。