简述高压变频器散热设计

　　变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。随着现代电力电子技术和微电子技术的迅猛发展，高压大功率变频调速装置不断地成熟起来，原来一直难于解决的高压问题，近年来通过器件串联或单元串联得到了很好的解决。高压大功率变频调速装置被广泛地应用于大型矿业生产厂、石油化工、市政供水、冶金钢铁、电力能源等行业的各种风机、水泵、压缩机、轧钢机等。同时散热也是高压变频器设计中重要的一个部分，今天昆山福瑞格小编在此简单介绍一下高压变频器散热设计。

　　循环水冷却

　　高压变频器采用循环水冷却方式可以大大提高散热效率，使得单位功率的体积小，可极大的减小整机的尺寸。与强制空气冷却相比，散热器表面与流体的温差比较小，一方面可以提高功率，另一方面可以降低芯片的温度，提高其寿命。但采用循环水冷却方式需要有水循环与处理设备，增加了设备的复杂程度。采用该方式时，应注意为防止纯水会引起生锈与结冻，一般采用水与醇混合。混合比例会影响到冷却液的热阻，当混合比例为50%时，其热阻一般增大50%。正常情况下应保证水的流速不小于8升/分。

　　在高温湿热的环境中，由于空气中的相对湿度比较高，当冷却表面的温度低于露点时，水冷散热器会引起凝露现象，由此可能造成器件的绝缘破坏。因此水冷式高压变频器对环境要求要高一些。通常水的凝固点为0℃，根据标准要求，额定温差为5℃，因此工作温度不应低于5℃;同时相对湿度≤90%（25℃），相对湿度变化率应≤5%/h。

　　热管散热器

　　热管散热器是采用水或其它传热流体为冷却介质，密封在具有毛细结构的铜管内的沸腾散热器。功率器件产生的热量通过散热器传导给流体，流体汽化后扩散至整个铜管，以散热片散热冷却成水后回流到吸热面。热管散热器具有传热能力强、均温能力优良、热密度可变、无外加设备、工作可靠、结构简单，重量轻、不用维护等优点，一般适用于大功率、分立元件的场合;在一些特殊的生产工况如粉尘比较多的地方（煤矿、焦化厂、部分化工厂）可以采用热管散热器，因为可以做到整个功率变换部分的密闭性。

　　国内的电力电子变换器行业多年前已采用热管散热器。如df4型电传动内燃机车的电力整流柜改用热管替换原有的纯铝散热器;上海威特力焊接设备制造有限公司在400a以上的逆变焊机中每台都用热管散热器为igbt和二极管散热。但目前还未见到采用热管散热的高压变频器。考虑到上述几种散热方式，热管散热应是首选的考虑。

　　其它注意事项

　　高压变频器无论采用何种冷却方式，器件在散热器上安装时应注意其安装位置。器件在散热器上的布局应注意以下几点：

　　（1） 散热器的中心位置热阻最小;

　　（2） 在同一个散热器上安装多个功率器件时，在考虑各个器件发生的损耗情况的基础上，决定安装的位置，对产生大损耗的器件应给予最大的面积;

　　（3） 安装模块的散热器表面，应注意螺钉位置间的平面度控制在100以内，表面粗糙度控制在10以下，表面如有凹陷会直接导致接触热阻的增加;

　　（4）为使接触热阻变小，在散热器与功率元件的安装面之间应均匀涂敷散热绝缘混合剂，并施加合适的紧固力矩，使器件外壳对散热器的接触热阻不超过数据手册要求的值。

　　整机的散热与通风设计

　　高压变频器常风的冷却方式主要为散热器强制风冷、循环水冷却和热管冷却等。因强制风冷方式简单，不存在水冷时的凝露问题，以及热管散热器设计的复杂性，在确定合适的通风结构的情况下，一般采用此种方式。采用强制风冷方式需要在结构设计时考虑散热风道。散热风道的设计应在充分考虑单元散热的要求下，应尽量优化。常见的多电平串联方式的高压变频器，从结构上分为功率柜体、变压器柜、控制柜。功率柜风道设计通常有两种方式：串联风道和并联风道。

　　串联风道

　　串联风道是由每个功率的散热器上下相对，形成上下对应的风道，其特点由上下多个功率单元形成串联的通路，结构简单，风道垂直使得风阻小;但由于空气从下到上存在依次加热的问题，造成上面的功率单元环境温差小，散热效果差。其结构如图4所示。

　　图4 功率柜风道结构图

　　并联风道

　　并联风道中从每个功率单元的前面进风，对应的进风口并联排列，在后面的风仓中汇总后由风机抽出，同时整个功率柜一般采用冗余的方法，有多个风机并联运行，整体散热效果好，并提高了设备的可靠性。但柜体后面要形成风仓，增大了设备的体积，同时由于各个功率单元后端到风机的距离不同，使得每个功率单元的风流量不一致，在设计时应加以考虑。

　　散热风机的选择

　　整个功率部分采用强制风冷的方式，需保证有足够的具有环境温度的空气源源不断地流经散热器的表面，使散热系统达到某种温度值的热平衡。在稳定的平衡状态下，根据公式：p=h×a×△t，在已确定系统耗散功率p、散热器有效表面积a与散热器表面温度与环境温度差值△t的前提下，吸热介质的对流换热系数h可以求出。美国、日本规定风机噪音不得大于65db，所以他们规定的风速为2～4m/s。因此在考虑风机选择时，应保证电力半导体器件风冷散热器3～6m/s的风速，一般即可保证h能达到要求。

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