大功率高压变频器的散热分析

       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。在大型电力电子设备中，随着温度的增加，失效率也增加，因此大功率高压变频器功率器件的热设计直接关系到设备的可靠性与稳定性。大功率高压变频器往往要求有极高的可靠性，影响电力电子设备失效的主要形式是热失效，据统计，50%以上的电子热失效主要是由于温度超过额定值引起的。

       从结构设计上来说散热技术是保证设备正常运行的关键环节。高压变频器设备功率大，一般为MW级，在正常工作时，会产生大量的热量。为保证设备的正常工作，把大量的热量散发出去，优化散热与通风方案，进行合理的设计与计算，实现设备的高效散热，对于提高设备的可靠性是十分必要的。

散热计算：

      高压变频器在正常工作时，热量来源主要是隔离变压器、电抗器、功率单元、控制系统等，其中作为主电路电子开关的功率器件的散热、功率单元的散热设计及功率柜的散热与通风设计最为重要。对IGBT或IGCT功率器件来说，其pn结不得超过125℃，封装外壳为85℃。有研究表明，元器件温度波动超过±20℃，其失效率会增大8倍。

散热设计注意事项：

      (1)选用耐热性和热稳定性好的元器件和材料，以提高其允许的工作温度；

      (2)减小设备(器件)内部的发热量。为此，应多选用微功耗器件，如低耗损型IGBT,并在电路设计中尽量减少发热元器件的数量，同时要优化器件的开关频率以减少发热量；

      (3)采用适当的散热方式和用适当的冷却方法，降低环境温度，加快散热速度。

排风量计算：

      在最恶劣环境温度情况下，计算散热器最高温度达到需求时候的最小风速。根据风速按照冗余放大率来确定排风量。排风量的计算公式为：Qf=Q/(Cpρ△T)

式中：

Qf：强迫风冷系统所须提供的风量。

Q：被冷却设备的总热功耗。

Cp=1005J/(kg℃)：空气比热，J/(kg℃)。

ρ=1.11(m3/kg)：空气密度。

△T=10℃：进、出口处空气的温差。

       根据风量和风压确定风机型号，使得风机工作在效率最高点处，即增加了风机寿命又提高了设备的通风效率。

风道设计：

       串联风道是由每个功率模块的散热器上下相对，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。

       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，是设计的难点。

      根据串联风道和并联风道的特点，高压变频器选择并联风道设计，并形成了独有的结构专利技术。

仿真分析：

       利用仿真软件可以在以上各种不同结构及层次上对系统散热、温度场及内部流体运动状态进行高效、准确、简便的定量分析。根据仿真结果，对散热结构进行评估、修改，然后再次仿真，直到得到满足要求的结果。通过这种方式，我们对热失效进行了很好控制，从而大大提高了设备的可靠性和稳定性。

       变频器是一种使电动机变速运行进而达到节能效果的设备，习惯上把额定电压在3kV到10kV之间的电动机称为高压电机，因此一般把针对3kV至10kV高电压环境下运行的电动机而开发的变频器称为高压变频器。与低压变频器相比，高压变频器适用于大功率风电、水泵的变频调速，可以收到显着的节能效果。

变频器的通用散热方法

       从目前变频器的构造分析，散热一般可分为以下三种：自然散热、对流散热、液冷散热和外部环境散热。

（一）自然散热

       对于小容量的变频器一般选用自然散热方式，其使用环境应通风良好，无易附着粉尘及飘浮物。此类变频器的拖动对象多为家用空调、数控机床之类，功率很小，使用环境比较优良。

       另外一种使用自然散热方式的变频器容量并不一定小，那就是防爆变频器。对于此类变频器小容量可以选用一般类型的散热器即可，要求散热面积在允许的范围内尽可能的大一些，散热肋片间距小一些，尽可能的增加热辐射面积。对于大容量的防爆变频器，如使用自然散热方式建议使用热管散热器。热管散热器是近年来新兴的一种散热器，它是热管技术与散热器技术结合的一种产品，它的散热效率极高，可以将防爆变频器的容量做的比较大，可达几百kVA。这种散热器相对普通散热器，所不同之处就是体积相对大，成本高。这种散热方式与水冷散热相比较还是有优势的：水冷要用水冷器件，水冷散热器以及必不可少的水循环系统等等，其成本比使用热管散热器散热高。业界反映热管散热器性能好，值得推广。

        自然散热的另外一种方式就是“穿墙式”自然散热，这种散热方式最多减少80％的热量，其特点是变频器的主体与散热片通过电控箱完全隔离，大大提高了变频器元器件的散热效果。这种散热方式最大的好处就是可以做到定时清理散热器，且能保证电控箱的防护等级做得更高。象常见的棉纺企业由于棉絮过多，经常容易堵塞变频器的通风道，导致变频器的过热故障，用穿墙式自然散热就能很好得解决这一问题。

（二）对流散热

       对流散热是普遍采用的一种散热方式。随着半导体器件的发展，半导体器件散热器也得到了飞速的发展，趋向标准化，系列化，通用化；而新产品则向低热阻，多功能，体积小，重量轻，适用于自动化生产与安装等方向发展。世界几大散热器生产商，产品多达上千个系列，并全部经过测试，提供了使用功率与散热器热阻曲线，为用户准确选用提供了方便。同时散热风机的发展也相当快，呈现出体积小，长受命，低噪声，低功耗，大风量，高防护的特点。如常用的小功率变频器散热风机只有25mm×25mm×10mm；日本SANYO长寿命风机可达200000h，防护等级可达IPX5；更有德国ebm大风量轴流风机，排风量高达5700m3/h。这些因素为设计者提供了非常广阔的选择空间。

       对流散热正是由于使用的器件(风机、散热器)选择比较容易，成本不是太高,变频器的容量可以做到从几十到几百kVA，甚至更高(采取单元并联方式)才被广为采用。

（1）变频器内装风扇散热

      内装风扇散热一般对于小容量的通用变频器使用。通过正确的安装变频器，可以使变频器的内装风扇的散热能力达到最大化。该内装风扇可以将变频器内部的热量带走。通过变频器所在的箱体的铁板，进行最终散热。只通过变频器内装风扇的散热办法适用与装有单独的变频器的控制箱，以及控制元件比较少的控制箱。如果变频器控制箱中，有若干台变频器，或者其他散热量比较大的电气元件，则散热的效果不十分明显。

（2）变频器外装风机散热

       通过在安装变频器的控制箱内，增设若干台具有换气对流功能的风机，则可以大大提高变频器的散热效果，降低变频器工作环境的温度。使用风机的能力，可以通过变频器的散热量进行计算。下面说一说一般的选择方法：

        我们根据经验算出每排出1kW功耗产生的热量,需要风机的排风量为360m/h，而变频器的功耗为其容量的4～5%，这里我们按5%计算，可以得到变频器适配风机与其容量的关系：

例如：变频器功率为90千瓦，则：

风机的排风量(m3/h)=变频器容量×5%×360m/h/kW=1620m/h

        然后再通过风机的排风量选择不同厂家风机的型号获得满足我们条件的风机。一般说来，风机散热是现阶段变频器散热的主要手段，尤其适用在比较大的控制柜中，以及控制柜中拥有的电气部件同时工作、同时发热的情况下。适用于高度集成的集中控制柜、控制箱。而且近几年由于科技的不断进步，散热风机已经不像前几年那样的庞然大物，小巧而又强劲的风机比比皆是。性价比上也比其他散热方式好的多。

（三）液冷散热

      水冷是工业液冷方式中较常用的一种方式。针对变频器这种设备选用该方式散热的很少，因为它的成本高，用在小容量变频器时体积大，再由于通用变频器的容量在几kVA到近百kVA，容量不是很大，很难将性价比做到让用户接受的程度，只有在特殊场合（如需要防爆）以及容量特别大的变频器才采用这种方式。

      水冷变频器在欧洲已有近十年的历史，广泛应用于轮船、机车等高功率且空间有限的场合。相对于传统的风冷变频器，水冷变频器更有效地解决了散热问题，从而使高功率变频器的体积大大缩小，性能更加稳定。体积的减小意味着节省了设备安装空间，从而有效地解决了很多特殊场合对变频器体积的要求。如芬兰VACON公司的400kW水冷变频器，其体积仅为同等级的风冷变频器的五分之一。

      资料表明，散热器表面经电泳涂漆发黑或阳极氧化发黑后，其散热量在自然冷却情况下可提高10~15%，在强迫风冷情况下可提高20~30%，电泳涂漆后表面耐压可达500~800V。所以在选择散热器及制定加工工艺时，对散热器进行上述工艺处理会大大提高本身的散热能力，还可以增强绝缘性，降低了因安装不当造成的爬电距离过小，电气间隙不够等带来的不利影响。

      散热效果优劣与安装工艺有密切关系，安装时应尽量增大功率模块与散热器的接触面积降低热阻，提高传热效果。在功率器件与散热器之间涂一层薄薄的导热硅脂可以降低热阻25~30%。如需要在功率器件与散热器之间加绝缘或加垫块来方便安装，建议使用低热阻材料：薄云母，聚酯薄膜或紫铜块，铝块。合理安排器件在散热器上的位置，单件安装时应使器件位于散热器基面中心位置，多件安装时应均匀分布。紧固器件时需保证扭力一致。安装完毕后不宜对器件及散热器再进行机械加工，否则会产生应力，增加热阻。单面肋片式散热器，适于在设备外部作自然风冷，即利于功率器件的通风又可降低机内温度。自然风冷时，应使散热器的断面平行于水平面的方向；强迫风冷时，应使气流的流向平行于散热器的肋片方向

（四）外部环境散热

      随着科技的进步，空水冷系统逐渐应用于钢铁、水泥、石油化工等领域，空水冷系统是专门用于大功率变频器散热的设备。空水冷将变频器的热风通过风道直接通过空-水冷装置进行热交换，由冷却水直接将变频器散失的热量带走；经过降温的冷风排回至室内。空-水冷装置内通过冷水温度低于33 ℃，即可以保证热风经过散热片后将变频器室内的环境温度控制在40℃以下，满足变频器对环境运行的要求，从而保证了变频器室内良好的运行环境。空水冷系统具有低能耗，高冷量，大风量的特点。

      无论采用哪种散热方式，都应根据变频器的容量，确定它的功耗，选择适当的风机，以及适当的散热器，达到优良的性价比，同时也应将变频器所使用的环境因素充分考虑到。针对环境比较恶劣(高温，高湿，煤矿，油田，海上平台)的情况，必须采取相应的措施，确保变频器正常可靠的运行。从变频器本身，应尽可能的避免不利因素的影响，例如针对灰尘、风沙的影响可以进行密封处理，只有散热器风道与外界空气接触，避免了对变频器内部的影响；针对盐雾，潮湿等可以对变频器各部件进行绝缘喷涂处理；野外作业用变频器要加防护，做到防雨、防晒、防雾、防尘；对于高温高湿环境可以增加空调等设备进行降温除湿，给变频器一个良好的环境，确保变频器可靠运行，事实表明处理好变频器的散热不仅要求设计者从变频器本身做到，还要求使用者正确使用严格按照使用说明进行安装,有足够的通风空间，适合的使用环境，并且尽可能做到定期维护,尤其是煤炭等多粉尘行业，定期给使用环境除尘,对变频器风道除尘，这样才能使变频器的散热系统发挥正常功能，使变频器的温升在允许值之内，变频器才能可靠运行,而为企业带来更大的经济及社会效益。