中心議題：

• 高壓變頻器功率器件的散熱設(shè)計
• 高壓變頻器功率單元的散熱冷卻設(shè)計
• 高壓變頻器整機的散熱與通風(fēng)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
（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。

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。

圖1 功率單元電路圖

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。

（1）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；

（2）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；

（3）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）
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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。

（1）靜態(tài)熱阻

（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

（3） 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。
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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，增大散熱器的長度是一個較好的選擇。

3.2 循環(huán)水冷卻
高壓變頻器采用循環(huán)水冷卻方式可以大大提高散熱效率，使得單位功率的體積小，可極大的減小整機的尺寸。與強制空氣冷卻相比，散熱器表面與流體的溫差比較小，一方面可以提高功率，另一方面可以降低芯片的溫度，提高其壽命。但采用循環(huán)水冷卻方式需要有水循環(huán)與處理設(shè)備，增加了設(shè)備的復(fù)雜程度。采用該方式時，應(yīng)注意為防止純水會引起生銹與結(jié)凍，一般采用水與醇混合。混合比例會影響到冷卻液的熱阻，當(dāng)混合比例為50%時，其熱阻一般增大50%。正常情況下應(yīng)保證水的流速不小于8升/分。

在高溫濕熱的環(huán)境中，由于空氣中的相對濕度比較高，當(dāng)冷卻表面的溫度低于露點時，水冷散熱器會引起凝露現(xiàn)象，由此可能造成器件的絕緣破壞。因此水冷式高壓變頻器對環(huán)境要求要高一些。通常水的凝固點為0℃，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，額定溫差為5℃，因此工作溫度不應(yīng)低于5℃；同時相對濕度≤90%（25℃），相對濕度變化率應(yīng)≤5%/h。

3.3 熱管散熱器
熱管散熱器是采用水或其它傳熱流體為冷卻介質(zhì)，密封在具有毛細結(jié)構(gòu)的銅管內(nèi)的沸騰散熱器。功率器件產(chǎn)生的熱量通過散熱器傳導(dǎo)給流體，流體汽化后擴散至整個銅管，以散熱片散熱冷卻成水后回流到吸熱面。熱管散熱器具有傳熱能力強、均溫能力優(yōu)良、熱密度可變、無外加設(shè)備、工作可靠、結(jié)構(gòu)簡單，重量輕、不用維護等優(yōu)點，一般適用于大功率、分立元件的場合；在一些特殊的生產(chǎn)工況如粉塵比較多的地方（煤礦、焦化廠、部分化工廠）可以采用熱管散熱器，因為可以做到整個功率變換部分的密閉性。

國內(nèi)的電力電子變換器行業(yè)多年前已采用熱管散熱器。如df4型電傳動內(nèi)燃機車的電力整流柜改用熱管替換原有的純鋁散熱器；上海威特力焊接設(shè)備制造有限公司在400a以上的逆變焊機中每臺都用熱管散熱器為igbt和二極管散熱。但目前還未見到采用熱管散熱的高壓變頻器?？紤]到上述幾種散熱方式，熱管散熱應(yīng)是首選的考慮。

3.4 其它注意事項
高壓變頻器無論采用何種冷卻方式，器件在散熱器上安裝時應(yīng)注意其安裝位置。器件在散熱器上的布局應(yīng)注意以下幾點：
（1）散熱器的中心位置熱阻最?。?br /> （2）在同一個散熱器上安裝多個功率器件時，在考慮各個器件發(fā)生的損耗情況的基礎(chǔ)上，決定安裝的位置，對產(chǎn)生大損耗的器件應(yīng)給予最大的面積；
（3）安裝模塊的散熱器表面，應(yīng)注意螺釘位置間的平面度控制在100以內(nèi)，表面粗糙度控制在10以下，表面如有凹陷會直接導(dǎo)致接觸熱阻的增加；
（4）為使接觸熱阻變小，在散熱器與功率元件的安裝面之間應(yīng)均勻涂敷散熱絕緣混合劑，并施加合適的緊固力矩，使器件外殼對散熱器的接觸熱阻不超過數(shù)據(jù)手冊要求的值。

4 整機的散熱與通風(fēng)設(shè)計

高壓變頻器常風(fēng)的冷卻方式主要為散熱器強制風(fēng)冷、循環(huán)水冷卻和熱管冷卻等。因強制風(fēng)冷方式簡單，不存在水冷時的凝露問題，以及熱管散熱器設(shè)計的復(fù)雜性，在確定合適的通風(fēng)結(jié)構(gòu)的情況下，一般采用此種方式。采用強制風(fēng)冷方式需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計時考慮散熱風(fēng)道。散熱風(fēng)道的設(shè)計應(yīng)在充分考慮單元散熱的要求下，應(yīng)盡量優(yōu)化。常見的多電平串聯(lián)方式的高壓變頻器，從結(jié)構(gòu)上分為功率柜體、變壓器柜、控制柜。功率柜風(fēng)道設(shè)計通常有兩種方式：串聯(lián)風(fēng)道和并聯(lián)風(fēng)道。

4.1 串聯(lián)風(fēng)道
串聯(lián)風(fēng)道是由每個功率的散熱器上下相對，形成上下對應(yīng)的風(fēng)道，其特點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)阻小；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。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 功率柜風(fēng)道結(jié)構(gòu)圖

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4.2 并聯(lián)風(fēng)道
并聯(lián)風(fēng)道中從每個功率單元的前面進風(fēng)，對應(yīng)的進風(fēng)口并聯(lián)排列，在后面的風(fēng)倉中匯總后由風(fēng)機抽出，同時整個功率柜一般采用冗余的方法，有多個風(fēng)機并聯(lián)運行，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)機的距離不同，使得每個功率單元的風(fēng)流量不一致，在設(shè)計時應(yīng)加以考慮。

4.3 散熱風(fēng)機的選擇
整個功率部分采用強制風(fēng)冷的方式，需保證有足夠的具有環(huán)境溫度的空氣源源不斷地流經(jīng)散熱器的表面，使散熱系統(tǒng)達到某種溫度值的熱平衡。在穩(wěn)定的平衡狀態(tài)下，根據(jù)公式：p=h×a×△t，在已確定系統(tǒng)耗散功率p、散熱器有效表面積a與散熱器表面溫度與環(huán)境溫度差值△t的前提下，吸熱介質(zhì)的對流換熱系數(shù)h可以求出。美國、日本規(guī)定風(fēng)機噪音不得大于65db，所以他們規(guī)定的風(fēng)速為2～4m/s。因此在考慮風(fēng)機選擇時，應(yīng)保證電力半導(dǎo)體器件風(fēng)冷散熱器3～6m/s的風(fēng)速，一般即可保證h能達到要求。

5 結(jié)束語

目前高壓變頻器多采用強制風(fēng)冷方式，但由于水冷方式和熱管散熱有體積小、效率高、沒有污染等優(yōu)點，應(yīng)更新設(shè)計理念，大力推廣。總之，開發(fā)和選擇新型高效散熱技術(shù)對高壓變頻器進行冷卻，是提高設(shè)備可靠性和縮小設(shè)備體積的一個重要措施。