高壓變頻器散熱與通風(fēng)的設(shè)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(biāo)有多項，其中在設(shè)計過程中其散熱與通風(fēng)是一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。目前高壓變頻器有高-低-高式、元件直接串聯(lián)式、中點箝位多電平式、單元級聯(lián)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(shè)備功率大，一般為mw級，在正常工作時，仍要產(chǎn)生大量的熱量。為保證設(shè)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，進行合理的設(shè)計與計算，實現(xiàn)設(shè)備的高效散熱，對于提高設(shè)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(tǒng)等，其中作為主電路電子開關(guān)的功率器件的散熱、功率單元的散熱設(shè)計、及功率柜的散熱與通風(fēng)設(shè)計最為重要。

　　2 功率器件的散熱設(shè)計

　　通常對igbt或igct模塊來說，其pn結(jié)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(shè)計關(guān)乎整個設(shè)備的運行安全。

　　2.1 在進行功率器件散熱設(shè)計時應(yīng)注意的事項

　?。?） 選用耐熱性和熱穩(wěn)定性好的元器件和材料，以提高其允許的工作溫度;

　?。?）減小設(shè)備（器件）內(nèi)部的發(fā)熱量。為此，應(yīng)多選用微功耗器件，如低耗損型igbt，并在電路設(shè)計中盡量減少發(fā)熱元器件的數(shù)量，同時要優(yōu)化器件的開關(guān)頻率以減少發(fā)熱量;

　?。?） 采用適當(dāng)?shù)纳岱绞脚c用適當(dāng)?shù)睦鋮s方法，降低環(huán)境溫度，加快散熱速度。

　　以目前最常見的單元級聯(lián)式高壓變頻器為例，對其中一個功率單元為例進行熱設(shè)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(shè)備穩(wěn)態(tài)運行時，功率單元內(nèi)整流二極管、igbt、續(xù)流二極管總的功率損耗即為散熱器的耗散功率。因此熱設(shè)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

　?。?） igbt的功率損耗一般包括通態(tài)損耗、斷態(tài)損耗、開通損耗、關(guān)斷損耗和驅(qū)動損耗，在估算時主要考慮通態(tài)損耗、開通損耗與關(guān)斷損耗;

　?。?） 對續(xù)流二極管來講，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)功耗的簡便方法是從制造廠給出的通態(tài)損耗功率與通態(tài)平均電流關(guān)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(wěn)態(tài)下的結(jié)溫計算

　　結(jié)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(chǔ)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(jié)到管殼基準(zhǔn)點穩(wěn)態(tài)熱阻，由制造廠家提供，一般在數(shù)據(jù)表中給出上限值或給出瞬態(tài)熱阻曲線取t→∞的穩(wěn)態(tài)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(shù)據(jù)表中給出;

　　rθ（c-a）是散熱器基準(zhǔn)點到環(huán)境基準(zhǔn)點的熱阻，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）

　　（2） 瞬態(tài)熱阻

　　由于電力電子器件工作在周期性的開關(guān)狀態(tài)，就需考慮其瞬態(tài)熱阻所造成的結(jié)溫波動是否超過最大結(jié)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(fù)載下的平均和最大結(jié)溫可以參考廠家所給出的瞬態(tài)熱阻曲線來計算。如圖3示出了eupc型號為bsm400ga120dlc的igbt模塊瞬態(tài)熱阻曲線zthjc=f（t）。

　　圖3 igbt模塊瞬態(tài)熱阻曲線

　?。?） 穩(wěn)態(tài)下的結(jié)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(jié)溫或計算散熱器的熱阻。

　　同時在計算熱阻時，應(yīng)考慮到損耗功率的波動與負(fù)載的波動;即在考慮結(jié)溫的平均值的同時，應(yīng)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(xiàn)的最高結(jié)溫不大于其最大定額150℃，計算穩(wěn)態(tài)結(jié)溫時考慮留出5℃的裕度。

　　3 功率單元的散熱冷卻設(shè)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(guān)器件驅(qū)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(shè)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降低，通過散熱器增加功率器件的導(dǎo)熱和輻射面積、擴張熱流以及緩沖導(dǎo)熱過渡過程，直接傳導(dǎo)或借助于導(dǎo)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(dǎo)熱體，散熱器熱阻（r（s-a））估算公式：

　　式（9）中：k為散熱器熱導(dǎo)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(guān)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(dǎo)熱系數(shù)，如鑄造鋁合金、擠壓成型或釬焊散熱器應(yīng)區(qū)分考慮。同時在選配散熱器時應(yīng)考慮：散熱器根部厚度應(yīng)滿足熱的傳導(dǎo);翼片的數(shù)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