解讀變頻器散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化

引言

變頻器屬大功率電力電子設(shè)備，內(nèi)部需配備大量功率半導(dǎo)體器件，工作過程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量。而功率半導(dǎo)體器件屬溫度敏感器件，因結(jié)溫過高導(dǎo)致功率半導(dǎo)體器件燒毀是變頻器故障中最常見的原因之一。為保證變頻器設(shè)備的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵的一環(huán)。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞，直接影響到變頻器能否長時(shí)間安全穩(wěn)定的工作。

一、變頻器散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

變頻器散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括以下三個(gè)方面：

1、依據(jù)負(fù)載計(jì)算功率器件的損耗【1】；

2、功率器件及散熱器的熱阻計(jì)算及建模仿真，求取散熱器與功率器件各點(diǎn)的溫度【1】；

3、根據(jù)各點(diǎn)的溫升以及實(shí)際環(huán)境條件，調(diào)整風(fēng)扇選型、散熱器以及風(fēng)道設(shè)計(jì)，確定最終的散熱系統(tǒng)方案【1】。

（一）損耗的計(jì)算

以IGBT模塊為例，損耗分為開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗。其中開關(guān)損耗又分為IGBT芯片的開關(guān)損耗和DIODE芯片的反向恢復(fù)損耗，其計(jì)算公式如下：

由上式可知：開關(guān)損耗與開關(guān)頻率成正比，與輸出電流成正比，與直流電壓成正比。

導(dǎo)通損耗也分為IGBT芯片的導(dǎo)通損耗和DIODE芯片的導(dǎo)通損耗，計(jì)算一般分為：

通過簡化可以得到以下公式：

上述參數(shù)也可以通過線性擬合來獲知，從而得到實(shí)際電流時(shí)的導(dǎo)通損耗。

在實(shí)際損耗計(jì)算中，還要考慮結(jié)溫影響、過載損耗、不同工況條件下?lián)p耗等因素。

（二）熱阻的計(jì)算及建模仿真

熱阻表示熱量在熱流路徑上遇到的阻力大小，反映介質(zhì)或介質(zhì)間的傳熱能力的大小，表明了1W熱量所引起的溫升大小，單位為℃/W或K/W。（一般表達(dá)熱阻時(shí)，需說明從某處到某處的熱阻，可以分別表示）

對于IGBT的熱阻，可以通過器件手冊中的數(shù)據(jù)獲悉其結(jié)殼的熱阻Rjc。散熱器的熱阻以強(qiáng)制空氣冷卻用散熱器為例，熱阻經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中，k為散熱器熱導(dǎo)率，單位W/（cm·℃）；d為散熱器基板厚度，單位cm；A為散熱器有效散熱面積，單位cm2；C1為散熱器表面狀況和安裝狀態(tài)相關(guān)系數(shù)，散熱器水平安裝與垂直安裝的散熱效果不同；C2為強(qiáng)迫風(fēng)冷條件下散熱器相對熱阻系數(shù)；C3為空氣換熱系數(shù)。

在設(shè)計(jì)工作中，還應(yīng)考慮導(dǎo)熱硅脂的熱阻和不同風(fēng)扇的風(fēng)量等因素，并通過實(shí)際測試結(jié)果與計(jì)算值對照進(jìn)行建模仿真，求取功率器件和散熱器各關(guān)鍵點(diǎn)的溫升。

（三）散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

一般應(yīng)用中，均設(shè)置散熱器溫升為40K，環(huán)境溫度為40？C，那么計(jì)算結(jié)果應(yīng)該不高于80？C。如果計(jì)算結(jié)果高于80？C，則需要對散熱系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)以降低熱阻，以保證功率器件結(jié)溫處于安全值內(nèi)（以最高結(jié)溫為175℃的四代IGBT為例，應(yīng)確保應(yīng)用中最高結(jié)溫在150℃以內(nèi)）。

對于強(qiáng)迫風(fēng)冷的散熱系統(tǒng)，降低散熱器熱阻的主要方法有：

①插片式散熱器，對基板的厚度，翅片的高度、厚度、間距和數(shù)目進(jìn)行合理優(yōu)化。

②對于型材散熱器可根據(jù)廠家提供的熱阻曲線或參數(shù)優(yōu)選型材。

③在允許的情況下，應(yīng)選擇導(dǎo)熱系數(shù)較高的材料。

④將散熱器垂直放置，加大進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口的距離，利用相對較輕的熱氣 流形成煙囪效應(yīng)。

⑤通過合理優(yōu)化散熱系統(tǒng)的風(fēng)道形狀來改變空氣相對于散熱器表面的流動(dòng)方向，在空氣流場中加入紊流，增強(qiáng)系統(tǒng)對流換熱效果。其中，紊流時(shí)的散熱效果為層流時(shí)的3～4倍【1】。

⑥采用多個(gè)高轉(zhuǎn)速、大功率風(fēng)扇，通過提高空氣流動(dòng)速度，增強(qiáng)系統(tǒng)換熱效果【1】。

二、變頻器散熱系統(tǒng)的優(yōu)化

散熱設(shè)計(jì)是整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，也是關(guān)乎整機(jī)性能的關(guān)鍵。散熱形式分為三種：自冷、風(fēng)冷和水冷。合康變頻器通常采用風(fēng)冷散熱，一般要設(shè)計(jì)獨(dú)立的散熱風(fēng)道（獨(dú)立風(fēng)道指風(fēng)所經(jīng)過的通道與整機(jī)其它部件相隔離）。風(fēng)機(jī)安放在進(jìn)風(fēng)端是吹風(fēng)方式，安放在出風(fēng)口為抽風(fēng)方式。兩種方式可按實(shí)際情況靈活選用。合康變頻主要通過散熱器的優(yōu)化和風(fēng)道的優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)變頻器散熱系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（一）散熱器的優(yōu)化

合康變頻使用的散熱器以型材散熱器和插片式散熱器為主。小功率變頻器一般選擇型材散熱器。型材散熱器采用壓注法可以將散熱片做成多種立體形狀，散熱片可根據(jù)需求做成各種復(fù)雜形狀，因工藝簡單而被廣泛采用。

大功率變頻器一般采用插片式散熱器。由于大功率變頻器發(fā)熱相對嚴(yán)重，插片散熱器的散熱片細(xì)長比較型材散熱器可高60倍以上，在相同體積內(nèi)散熱面積可以大大增加，提高散熱效果，且散熱片可選用不同材質(zhì)制作。缺點(diǎn)是利用導(dǎo)熱膏和焊錫結(jié)合散熱片會(huì)存在介面阻抗問題，從而影響散熱。

上述兩種散熱器的設(shè)計(jì)優(yōu)化可以通過散熱器大小、基板厚度、散熱片間距等參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

散熱片的基板厚度對提高散熱片的效率有很大影響，基板足夠厚夠厚才能保證足量的熱能順利傳到所有的散熱片。但底部太厚會(huì)造成材料的浪費(fèi)和熱累積，從而導(dǎo)致熱傳能力下降。好的基板設(shè)計(jì)必須保證厚度由熱源部分向邊緣部份漸薄，才可使散熱片由熱源部分吸熱，然后向周圍較薄的部分迅速傳遞。

合康變頻通過熱仿真軟件對變頻器進(jìn)行熱分析，如圖1，通過圖中溫度和流場的顯示來了解溫度分布和風(fēng)速大小，根據(jù)溫升結(jié)果來判斷該散熱器是否能滿足散熱需求。如果分析結(jié)果顯示模塊溫升過高，則可以通過改變散熱器大小、基板厚度和散熱片間距等參數(shù)設(shè)計(jì)最優(yōu)的散熱器，使散熱器滿足散熱需求，提高整機(jī)運(yùn)行的性能，避免散熱器反復(fù)打樣。

圖1 散熱器溫度分布和風(fēng)速大小

（二）風(fēng)道的優(yōu)化

如圖2所示，變頻器風(fēng)道設(shè)計(jì)一般采用吹風(fēng)和抽風(fēng)兩種設(shè)計(jì)方式。

圖2 變頻器抽風(fēng)（左）和吹風(fēng)（右）方式

如圖3所示，合康變頻器在風(fēng)扇出風(fēng)口和散熱器之間加了一塊導(dǎo)風(fēng)板，風(fēng)扇吹出來的風(fēng)會(huì)沿著導(dǎo)風(fēng)板均勻的進(jìn)入散熱器，提高了風(fēng)扇的利用率。通過風(fēng)道的優(yōu)化，提高散熱器換熱能力，可縮小散熱器的尺寸，讓機(jī)箱尺寸整體減小，降低了變頻器的生產(chǎn)成本。

圖3 風(fēng)道中加導(dǎo)風(fēng)板

三、結(jié)束語

散熱系統(tǒng)的好壞直接影響產(chǎn)品的性能、壽命和成本，散熱片是高效的散熱方式，合理的散熱片設(shè)計(jì)可改善設(shè)備系統(tǒng)的發(fā)熱狀況。新建項(xiàng)目開始設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮產(chǎn)品的熱承受能力，在節(jié)約成本的同時(shí)，拿出最優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)出散熱效果更好的變頻器。

編輯：jq