通用變頻器散熱系統設計

通用變頻器散熱系統設計

1　引言
　　溫度是嚴重影響一切電器元件使用壽命的關鍵因素，半導體器件對溫度更是敏感，其所有參數定額都是以某一規定溫度為前提條件的，結溫過高幾乎是摧毀所有半導體器件的最終原因。變頻器中的電力半導體器件的散熱是控制溫升的重要手段[1]。通用變頻器中的散熱器通常要占整機體積的1/3～1/2，可見其作用非同小可。尤其是溫度對變頻器性能和使用壽命的影響通常是由量變到質變的緩慢過程，所以往往被人們忽略。因此，研究散熱技術有利于正確、合理地設計和使用變頻器，提高變頻器運行的可靠性和安全性，延長使用壽命。

2　變頻器的常用散熱方式
　　變頻器的冷卻與散熱系統設計包括結構設計和冷卻介質的選擇兩方面的內容。散熱器結構的選擇應考慮以下因素:輔助設備的能耗、體積和重量;裝置的復雜性和操作的難易程度;以及裝置的可靠性、可用性和可維護性。而冷卻介質的選擇則應考慮電絕緣性、化學穩定性、對材料的腐蝕性、對環境的影響和易燃性以及介質成本。
2.1　空氣冷卻方式
　　常用的空氣冷卻方式包括“自冷”和“強迫風冷”兩種(見表1)。

表1　冷卻裝置散熱效率比較

 
(1)自冷式散熱器
　　所謂“自冷式”冷卻是通過空氣的自然對流及輻射作用將熱量帶走。這種散熱器效率很低，但是由于它的結構簡單、無噪音、免維護，特別是沒有運動部件，所以可靠性高，非常適用于額定電流在20a以下的器件或簡單裝置中的大電流器件。隨著半導器件價格的不斷降低，有些較大容量的器件也采用自冷式散熱器，尤其在沖擊負載的變頻器中應用更廣泛。
(2)風冷式散熱器
　　風冷式散熱器主要用于電流額定值在50~500a的器件[2]。風冷式散熱器的特點是散熱效率高，其傳熱系數是自冷式散熱效率的2~4倍。因需配備風機，因而噪聲大，容易吸入灰塵，可靠性相對降低，有一定維護量。散熱器材料質量特性對散熱效率有顯著影響。紫銅導熱系數相當于工業純鋁的2倍，在相同散熱效率下，紫銅散熱器的體積為鋁質散熱器的1/3~1/2，但由于銅的比重大，價格高，一般較少應用。在通用變頻器中，幾乎都是采用風冷式鋁質散熱器。
2.2　液態冷卻
　　液態冷卻將導熱系數較之氣體冷卻可顯著提高，效率比較如表1所示。對于功率密度大的電力電子裝置而言，液體冷卻是最好的選擇[3]。但液體冷卻系統需要利用循環泵來保證冷卻液在熱源和冷源之間循環，以交換熱量。
(1) 油冷式散熱器
　　由于油的冷卻性能比空氣好，同時也由于將閥體安裝在油箱中可以免受環境條件的影響，具有很高的絕緣性和電磁屏蔽效果，所以曾在高壓大功率電力電子裝置中得到相當廣泛的應用。但由于水冷系統不論從冷卻效果還是環境影響方面均具有明顯的優勢，所以近年來油冷系統似乎已漸漸淡出高壓大功率變流器領域。
(2)水冷式散熱器
　　水冷式散熱器的散熱效率極高，等于空氣自然冷卻換熱系數的150～300倍。以水冷式散熱器代替風冷式散熱器，可大大提高器件的容量。但是，由于普通水的絕緣性較差，水中存在的雜質離子會在高電壓下導致電腐蝕和漏電現象，只有在低電壓(如400vdc或380vac)下，才可以采用普通水冷卻。為使上述水冷系統進入高壓大功率電力電子領域，必須解決冷卻水的純度和長期運行時系統的可靠性及腐蝕兩大問題。

3　散熱器的熱阻計算[4]
3.1　熱阻的概念
　　熱阻表示介質傳熱的能力，其意義就是單位功耗所引起的溫升，通常用rth表示，單位是℃/w。一般在說熱阻時，需說明從某處到某處的熱阻，可以分別表示。比如，從管殼到散熱器的熱阻(接觸熱阻)用rthef表示，從散熱器到環境空氣的熱阻用rthfa表示等。
3.2　熱路歐姆定律
　　當熱量從a物體向它周圍的b物體擴散時，a物體的溫升δta等于a物體的發熱功率p與從a物到b物體熱阻rthab的乘積，即
δta＝p×rthab (1)
pa=p1+p2+...+pn (2)
3.3　散熱器的熱阻計算
　　假設傳到散熱器上的熱功耗為p，散熱器的允許溫升為δtfa，δtfa為散熱器溫度tf與環境空氣溫度ta之差。由熱路歐姆定律式(1)就可以求出散熱器的熱阻rthfa為
rthfa＝δtfa/p (3)
　　利用上述公式計算rthfa時，如果散熱器上裝有多只功率器件，則需要注意兩點:一是需要用式(2)計算總功耗，二是計算允許溫升δtfa時要考慮管殼最熱的一個器件，如果該器件計算允許最高結溫tj，功耗為pi，則其管殼的最高溫度為
tc=tj－pirthjci (4)
　　式中，rthjci為該管芯到管殼的熱阻。
　　根據如上所求，帶入(3)中，可得到準確的熱阻值。

4　散熱器的選擇
　　變頻器散熱器的種類主要分為自制散熱器和鋁型材散熱器。自制散熱器使用靈活，安裝和結構設計方便，但是設計起來比較困難，尤其是熱阻的計算，需要實驗測試。對于鋁型材散熱器，廠家一般給出了實驗測得的熱阻曲線或者熱阻參數表，安裝、選用也都很方便。這種散熱器在變頻器中最為常用。
　　有效地提高散熱效果，可以減小散熱器的體積，降低成本，增加開關管的工作可靠性。采取以下措施可以有效地減小熱阻，改善散熱效率:
(1)自然冷卻的鋁型材散熱器，一般都是有風道方向的，將其豎立放置比水平放置散熱效率提高15％;表面氧化發黑處理后，散熱效率也能提高15％左右。
(2)功率模塊與散熱器之間的接觸熱阻不僅與封裝形式有關，還與是否墊絕緣材料和是否涂導熱硅膠有很大關系，如表2所示。

表2　各種封裝的接觸熱阻