基于高壓變頻器單元的熱仿真計算

1 引言

大型電力電子設備，如大功率高壓變頻器往往要求有極高的可靠性，影響電力電子設備失效的主要形式是熱失效，據統計，50%以上的電子熱失效主要是由于溫度超過額定值引起的。隨著溫度的增加，失效率也增加，因此大功率高壓變頻器功率器件的熱設計直接關系到設備的可靠性與穩定性。

從結構設計上來說散熱技術是保證設備正常運行的關鍵環節。由于三環公司高壓變頻器設備功率大，一般為MW級，在正常工作時，會產生大量的熱量。為保證設備的正常工作，把大量的熱量散發出去，優化散熱與通風方案，進行合理的設計與計算，實現設備的高效散熱，對于提高設備的可靠性是十分必要的。

2 散熱計算

高壓變頻器在正常工作時，熱量來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關的功率器件的散熱、功率單元的散熱設計及功率柜的散熱與通風設計最為重要。對igbt或igct功率器件來說，其pn結不得超過125℃，封裝外殼為85℃。有研究表明，元器件溫度波動超過±20℃，其失效率會增大8倍。

2.1 散熱設計注意事項

(1) 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;

(2) 減小設備(器件)內部的發熱量。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熱元器件的數量，同時要優化器件的開關頻率以減少發熱量;

(3) 采用適當的散熱方式與用適當的冷卻方法，降低環境溫度，加快散熱速度。

2.2 排風量計算

在最惡劣環境溫度情況下，計算散熱器最高溫度達到需求時候的最小風速。根據風速按照冗余放大率來確定排風量。排風量的計算公式為：Qf=Q/(Cp?ρ?△T)

式中：

Qf：強迫風冷系統所須提供的風量。

Q：被冷卻設備的總熱功耗,W。

Cp=1005J/(kg?℃)：空氣比熱，J/(kg?℃)。

ρ=1.11(m3/kg)：空氣密度，m2/kg。

△T=10℃：進、出口處空氣的溫差，℃。

根據風量和風壓確定風機型號，使得風機工作在效率最高點處，即增加了風機壽命又提高了設備的通風效率。

2.3 風道設計

串聯風道是由每個功率模塊的散熱器上下相對，形成上下對應的風道，其特點由上下多個功率單元形成串聯的通路，結構簡單，風道垂直使得風阻小;但由于空氣從下到上存在依次加熱的問題，造成上面的功率單元環境溫差小，散熱效果差。

并聯風道中從每個功率單元的前面進風，對應的進風口并聯排列，在后面的風倉中匯總后由風機抽出，同時整個功率柜一般采用冗余的方法，有多個風機并聯運行，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倉，增大了設備的體積，同時由于各個功率單元后端到風機的距離不同，使得每個功率單元的風流量不一致，是設計的難點。

根據串聯風道和并聯風道的特點，三環公司高壓變頻器選擇并聯風道設計，并形成了獨有的結構專利技術。

3 仿真分析

利用仿真軟件可以在以上各種不同結構及層次上對系統散熱、溫度場及內部流體運動狀態進行高效、準確、簡便的定量分析。

根據仿真結果，對散熱結構進行評估、修改，然后再次仿真，直到得到滿足要求的結果。通過這種方式，我們對熱失效進行了很好控制，從而大大提高了設備的可靠性和穩定性。