通用變頻器散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1　引言
　　溫度是嚴(yán)重影響一切電器元件使用壽命的關(guān)鍵因素，半導(dǎo)體器件對溫度更是敏感，其所有參數(shù)定額都是以某一規(guī)定溫度為前提條件的，結(jié)溫過高幾乎是摧毀所有半導(dǎo)體器件的最終原因。變頻器中的電力半導(dǎo)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(jī)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(zhì)變的緩慢過程，所以往往被人們忽略。因此，研究散熱技術(shù)有利于正確、合理地設(shè)計(jì)和使用變頻器，提高變頻器運(yùn)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(tǒng)設(shè)計(jì)包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和冷卻介質(zhì)的選擇兩方面的內(nèi)容。散熱器結(jié)構(gòu)的選擇應(yīng)考慮以下因素:輔助設(shè)備的能耗、體積和重量;裝置的復(fù)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(hù)性。而冷卻介質(zhì)的選擇則應(yīng)考慮電絕緣性、化學(xué)穩(wěn)定性、對材料的腐蝕性、對環(huán)境的影響和易燃性以及介質(zhì)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(qiáng)迫風(fēng)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(jié)構(gòu)簡單、無噪音、免維護(hù)，特別是沒有運(yùn)動(dòng)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(dǎo)器件價(jià)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(fù)載的變頻器中應(yīng)用更廣泛。
(2)風(fēng)冷式散熱器
　　風(fēng)冷式散熱器主要用于電流額定值在50~500a的器件[2]。風(fēng)冷式散熱器的特點(diǎn)是散熱效率高，其傳熱系數(shù)是自冷式散熱效率的2~4倍。因需配備風(fēng)機(jī)，因而噪聲大，容易吸入灰塵，可靠性相對降低，有一定維護(hù)量。散熱器材料質(zhì)量特性對散熱效率有顯著影響。紫銅導(dǎo)熱系數(shù)相當(dāng)于工業(yè)純鋁的2倍，在相同散熱效率下，紫銅散熱器的體積為鋁質(zhì)散熱器的1/3~1/2，但由于銅的比重大，價(jià)格高，一般較少應(yīng)用。在通用變頻器中，幾乎都是采用風(fēng)冷式鋁質(zhì)散熱器。
2.2　液態(tài)冷卻
　　液態(tài)冷卻將導(dǎo)熱系數(shù)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(tǒng)需要利用循環(huán)泵來保證冷卻液在熱源和冷源之間循環(huán)，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(shí)也由于將閥體安裝在油箱中可以免受環(huán)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(dāng)廣泛的應(yīng)用。但由于水冷系統(tǒng)不論從冷卻效果還是環(huán)境影響方面均具有明顯的優(yōu)勢，所以近年來油冷系統(tǒng)似乎已漸漸淡出高壓大功率變流器領(lǐng)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(shù)的150～300倍。以水冷式散熱器代替風(fēng)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(zhì)離子會(huì)在高電壓下導(dǎo)致電腐蝕和漏電現(xiàn)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(tǒng)進(jìn)入高壓大功率電力電子領(lǐng)域，必須解決冷卻水的純度和長期運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的可靠性及腐蝕兩大問題。

3　散熱器的熱阻計(jì)算[4]
3.1　熱阻的概念
　　熱阻表示介質(zhì)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(shí)，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(huán)境空氣的熱阻用rthfa表示等。
3.2　熱路歐姆定律
　　當(dāng)熱量從a物體向它周圍的b物體擴(kuò)散時(shí)，a物體的溫升δta等于a物體的發(fā)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(jì)算
　　假設(shè)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(huán)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(jì)算rthfa時(shí)，如果散熱器上裝有多只功率器件，則需要注意兩點(diǎn):一是需要用式(2)計(jì)算總功耗，二是計(jì)算允許溫升δtfa時(shí)要考慮管殼最熱的一個(gè)器件，如果該器件計(jì)算允許最高結(jié)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(jù)如上所求，帶入(3)中，可得到準(zhǔn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方便，但是設(shè)計(jì)起來比較困難，尤其是熱阻的計(jì)算，需要實(shí)驗(yàn)測試。對于鋁型材散熱器，廠家一般給出了實(shí)驗(yàn)測得的熱阻曲線或者熱阻參數(shù)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(guān)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(fēng)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(fā)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(guān)，還與是否墊絕緣材料和是否涂導(dǎo)熱硅膠有很大關(guān)系，如表2所示。

表2　各種封裝的接觸熱阻