淺談大功率高壓變頻器散熱分析

來源：羅姆半導(dǎo)體社區(qū)

變頻器是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機(jī)工作電源頻率方式來控制交流電動機(jī)的電力控制設(shè)備。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元微處理單元等組成。變頻器靠內(nèi)部IGBT的開斷來調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要來提供其所需要的電源電壓，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多的保護(hù)功能，如過流、過壓、過載保護(hù)等等。隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應(yīng)用。

在大型電力電子設(shè)備中，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(shè)計(jì)直接關(guān)系到設(shè)備的可靠性與穩(wěn)定性。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(shè)備失效的主要形式是熱失效，據(jù)統(tǒng)計(jì)，50%以上的電子熱失效主要是由于溫度超過額定值引起的。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上來說散熱技術(shù)是保證設(shè)備正常運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。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(jìn)行合理的設(shè)計(jì)與計(jì)算，實(shí)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。

一、散熱計(jì)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(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(jì)及功率柜的散熱與通風(fēng)設(shè)計(jì)最為重要。對igbt或igct功率器件來說，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。

通常，變頻器安裝在控制柜中。我們要了解一臺變頻器的發(fā)熱量大概是多少，可以用以下公式估算：發(fā)熱量的近似值=變頻器容量（KW）×55在這里，如果變頻器容量是以恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載為準(zhǔn)的（過流能力150%*60s）如果變頻器帶有直流電抗器或交流電抗器，并且也在柜子里面，這時發(fā)熱量會更大一些，所以電抗器安裝在變頻器側(cè)面或測上方比較好。這時可以用估算：變頻器容量（KW）×60因?yàn)楦髯冾l器廠家的硬件都差不多，所以上式可以針對各品牌的產(chǎn)品。注意：如果有制動電阻的話，因?yàn)橹苿与娮璧纳崃亢艽?，因此最好安裝位置和變頻器隔離開，如裝在柜子上面或旁邊等。

二、排風(fēng)量計(jì)算

在最惡劣環(huán)境溫度情況下，計(jì)算散熱器最高溫度達(dá)到需求時候的最小風(fēng)速。根據(jù)風(fēng)速按照冗余放大率來確定排風(fēng)量。排風(fēng)量的計(jì)算公式為：Qf=Q/（Cpρ△T）

式中：

Qf:強(qiáng)迫風(fēng)冷系統(tǒng)所須提供的風(fēng)量。

Q:被冷卻設(shè)備的總熱功耗，

Cp=1005J/（kg℃）：空氣比熱，J/（kg℃）。

ρ=1.11（m3/kg）：空氣密度，

△T=10℃：進(jìn)、出口處空氣的溫差，℃。

根據(jù)風(fēng)量和風(fēng)壓確定風(fēng)機(jī)型號，使得風(fēng)機(jī)工作在效率最高點(diǎn)處，即增加了風(fēng)機(jī)壽命又提高了設(shè)備的通風(fēng)效率。

三、風(fēng)道設(shè)計(jì)

串聯(lián)風(fēng)道是由每個功率模塊的散熱器上下相對，形成上下對應(yīng)的風(fēng)道，其特點(diǎn)由上下多個功率單元形成串聯(lián)的通路，結(jié)構(gòu)簡單，風(fēng)道垂直使得風(fēng)阻??；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(huán)境溫差小，散熱效果差。

并聯(lián)風(fēng)道中從每個功率單元的前面進(jìn)風(fēng)，對應(yīng)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(jī)抽出，同時整個功率柜一般采用冗余的方法，有多個風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，整體散熱效果好，并提高了設(shè)備的可靠性。但柜體后面要形成風(fēng)倉，增大了設(shè)備的體積，同時由于各個功率單元后端到風(fēng)機(jī)的距離不同，使得每個功率單元的風(fēng)流量不一致，是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

四、變頻器在高溫下的注意事項(xiàng)：

1、 認(rèn)真監(jiān)視并記錄變頻器人機(jī)界面上的各顯示參數(shù)，發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)即時反映

2、 認(rèn)真監(jiān)視并記錄變頻室的環(huán)境溫度，環(huán)境溫度應(yīng)在-5℃~40℃之間。移相變壓器的溫升不能超過130℃

、 夏季溫度較高時，應(yīng)加強(qiáng)變頻器安裝場地的通風(fēng)散熱。確保周圍空氣中不含有過量的塵埃，酸、鹽、腐蝕性及爆炸性氣體

4、 夏季是多雨季節(jié)，應(yīng)防止雨水進(jìn)入變頻器內(nèi)部（例如雨水順風(fēng)道出風(fēng)口進(jìn)入）

5、 變頻器柜門上的過濾網(wǎng)通常每周應(yīng)清掃一次；如工作環(huán)境灰塵較多，清掃間隔還應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況縮短

6、 變頻器正常運(yùn)行中，一張標(biāo)準(zhǔn)厚度的A4紙應(yīng)能牢固的吸附在柜門進(jìn)風(fēng)口過濾網(wǎng)上

7、 變頻室必須保持干凈整潔，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況隨時清掃。

8、 變頻室的通風(fēng)、照明必須良好，通風(fēng)散熱設(shè)備（空調(diào)、通風(fēng)扇等）能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

五、散熱設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

1、 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；

2、 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(jì)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；

3、 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。

4、 風(fēng)道出口處要有防護(hù)網(wǎng)，防塵孔直徑應(yīng)不大于10mm，可采用“上邊緣長出下邊緣10cm”方式(此方式適用于用戶墻外有足夠的頂沿);或做風(fēng)道彎頭以防雨/雪水倒灌，或飛禽/飛絮進(jìn)入（此方式適用于外裸墻、無頂沿或頂沿較高且短的情況）﹔

5、 變頻器風(fēng)機(jī)在與風(fēng)道連接時風(fēng)機(jī)上的防塵網(wǎng)不允許摘除;

6、 風(fēng)道穿過墻體處，風(fēng)道邊緣與墻體間不能有間隙;

審核編輯 黃昊宇