高压变频器散热系统设计分析

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1、高压变频器散热系统设计分析　　摘要：高压变频器现在基本上已经采用驱动交流化，以及功率变频器等高频化技术，在持续运行过程中，单位体积所散热量逐渐增加。基于高压变频器运行稳定性和可靠性要求，必须要重点做好散热系统的设计，选择有效的冷却技术，做好各个部分设计优化。本文重点就高压变频器散热系统设计要点进行了简要分析。　　关键词：高压变频器；散热系统；系统设计　　DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.03.219　　0引言　　虽然高压变频调速系统效率比较高，但是在实际运行中仍然会产生2%～4%的损耗，全部转化成热量散失在大气中。要求散热系统可以将此部分热量全部排

2、除，避免温升过高对高压变频器运行产生影响。因此，需要基于变频器热量来源特点，根据实际情况进行计算设计，对散热系统进行优化。　　1高压变频器热量特点　　高压变频器热量来源主要可以分为三个部分，第一即为变压器和电抗器，主回路大电流运行时将会产生铁耗与铜耗，并且其中80%～90%会以放热形式释放。此部分热量，可以达到电动机功率的0.5%～1.5%，其中应用电抗器发热量可以达到0.5%，应用变压器发热量基本上为1.5%[1]。第二，则为变频器功率器件损耗，如SGCT、IGBT、IGCT等。在设备运行时因为高频开关切换，以及导通压降等，会产生低通损耗与开关损耗，可以达到电动机功率的2%左右。第

3、三，为变频器控制部分间损耗，主要为控制板件、控制电源等。同时，还包括驱动功率器件的驱动电源与其他冷却风扇以及冷却水泵等，均会产生一定热量。因为此部分热量与前两项相比比较少，计算时可以忽略不计。　　2高压变频器散热系统设计要点　　2.1功率单元散热设计　　（1）设计要点。对高压变频器功率单元进行散热设计时，对象主要为整流二极管、逆变模块等。将单元串联多电平结构高压变频器作为对象，其功率器件为IGBT，散热系统设计需要合理选择功率器件，保证元器件与原材料热稳定性与耐热性良好。还要根据实际情况来确定散热方法，提高散热速度，并降低环境温度。同时，还要降低器件与设备内部发热量，选择应用功耗低的

4、其间，严格控制发热元器件数量，并对开关频率进行优化，将内部发热总量控制在一个较低的水平。　　（2）散热器设计。主要从三个方面着手：第一，插片设计。对插片长度、厚度、高度以及数量进行计算，根据实际情况选择，避免出现过度设计情况，减少材料的浪费。第二，器件安装。对于散热器上的各类器件，要保证安装方案的合理性，尽量将高发热量器件设置在此，对于损耗较大的器件，需要预留出较大的面积[2]。并且，所有散热器和功率器件的安装面均需要均匀涂抹散热硅脂，最大程度上降低接触热阻，并按照设计标准对力矩进行紧固处理。第三，表面处理。很?Ω哐贡淦灯鞅砻婊峤?行氧化处理，对其散热效果和热阻进行改善，提高器件散热

5、效果。（3）结温计算。1）功率损耗。高压变频器处于稳定运行状态时，功率单元耗散功率为为续流二极管、整流二极管以及IGBT总功率耗散。因此，在对散热系统进行设计时，需要对几种器件总功率进行有效估算。续流二极管通态、关闭损耗分别为：　　整流二极管处于低频运行状态时，以通态损耗为主，在进行计算分析时，可以根据通态损耗功率以及通态平均电流关系曲线查找确定。　　IGBT耗损主要包括通态、断态、关闭、开通以及驱动多种，功率耗散估算时，应重点分析通态、开通与关闭损耗。其中，通态损耗为：　　IGBT开关损耗为：　　综上，功率单元总耗损功率为：　　P=（PSS+PSW）×4+PD×6　　（2）结温计算

6、。设IBGT热阻等效电路，Ta表示环境温度；Ts表示散热器表面温度；Tj-Tr表示IGBT结温；Tc表示IGBT管壳温度；Rθ（j-c）表示器件结到管壳基准点稳态热阻，且由厂家提供，一般情况下可以在数据表中给出相应瞬态热阻曲线在t→∞稳态值或上限值；Rθ（c-a）表示管壳不经过散热器散热，直接进入空气的热阻，在计算分析时可以对称部分热量忽略不计；Rθ（c-s）表示管壳到散热器触热阻，由厂家提供数据；Rθ（s-a）表示散热器基准点到环境基准点的热阻，此数值受散热器尺寸、形式以及冷却方式等因素影响[3]。　　在热平衡条件下，其间静态热阻为：　　电力电子器件处于工作状态时，采取周期性通断方

7、式，在设计时需要分析瞬态热阻对结温波动产生的影响，根据此来确定波动是否超过最大结温。其中，瞬态热阻为：　　结合上述分析结果，可以确定电力电子其间结温以及散热器热阻计算公式为：Tj=Ta+PAV×Rja=Ta+PAV×（Rθ（j-c）+Rθ（c-a）+Rθ（c-s））　　对热阻进行计算时，还要重视损耗功率波动、负载波动的分析，根据其波动幅度，来确定下一步设计方向和优化方法。正常状态下，应保证给定条件下最高温度在125℃以内，对于稳态结温计算裕量应保留5℃。