高壓變頻器散熱與通風的設計

　　1 引言

　　在電力、化工、煤礦、冶金等工業生產領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，其中在設計過程中其散熱與通風是一個至關重要的環節。目前高壓變頻器有高-低-高式、元件直接串聯式、中點箝位多電平式、單元級聯式等多種方式，一般來講，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，仍要產生大量的熱量。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。

　　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。

　　2 功率器件的散熱設計

　　通常對igbt或igct模塊來說，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。功率器件散熱設計關乎整個設備的運行安全。

　　2.1 在進行功率器件散熱設計時應注意的事項

　　（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。

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

　　2.2 損耗功率的估算

　　在設備穩態運行時，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行估算。

　　圖1 功率單元電路圖

　　（1） igbt的功率損耗一般包括通態損耗、斷態損耗、開通損耗、關斷損耗和驅動損耗，在估算時主要考慮通態損耗、開通損耗與關斷損耗;

　　（2） 對續流二極管來講，主要估算它的通態損耗與關斷損耗;

　　（3） 整流二極管在低頻情況下的損耗功率

　　主要為通態損耗，確定其通態功耗的簡便方法是從制造廠給出的通態損耗功率與通態平均電流關系曲線直接查出。

　　上述功率單元總的功耗為：p=（pss+psw）×4+pd×6 （5）

　　2.3 穩態下的結溫計算

　　結溫的計算是建立在如圖2所示的簡化熱阻等效電路的基礎上的。上述功率單元的簡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穩態熱阻，由制造廠家提供，一般在數據表中給出上限值或給出瞬態熱阻曲線取t→∞的穩態值;

　　rθ（c-a）是管殼未通過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，通常由制造廠家在數據表中給出;

　　rθ（c-a）是散熱器基準點到環境基準點的熱阻，其值由散熱器形式、尺寸和冷卻方式決定;

　　ta是環境溫度。

　　（1） 靜態熱阻

（6）

　　（2） 瞬態熱阻

　　由于電力電子器件工作在周期性的開關狀態，就需考慮其瞬態熱阻所造成的結溫波動是否超過最大結溫。瞬態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家所給出的瞬態熱阻曲線來計算。如圖3示出了eupc型號為bsm400ga120dlc的igbt模塊瞬態熱阻曲線zthjc=f（t）。

　　圖3 igbt模塊瞬態熱阻曲線

　　（3） 穩態下的結溫計算

　　通過上述方法分析得到整個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。

　　同時在計算熱阻時，應考慮到損耗功率的波動與負載的波動;即在考慮結溫的平均值的同時，應考慮到其波動的幅度。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℃，計算穩態結溫時考慮留出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

　　（或igct）模塊、電容、快速熔斷器、母線開關器件驅動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生的溫升需由散熱器來降低，通過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渡過程，直接傳導或借助于導熱介質將熱量傳遞到冷卻介質中，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是一個與散熱器表面和安裝角度有關的修正因子。

　　此式在空氣溫度不超過45℃時成立。

　　值得注意的是，散熱器的制造工藝會影響到其導熱系數，如鑄造鋁合金、擠壓成型或釬焊散熱器應區分考慮。同時在選配散熱器時應考慮：散熱器根部厚度應滿足熱的傳導;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