高壓變頻器散熱與通風(fēng)的設計
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有多項，其中在設計過(guò)程中其散熱與通風(fēng)是一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節。目前高壓變頻器有高-低-高式、元件直接串聯(lián)式、中點(diǎn)箝位多電平式、單元級聯(lián)式等多種方式，一般來(lái)講，上述各種方式的高壓變頻器，其效率一般可達95~97%;但由于設備功率大，一般為mw級，在正常工作時(shí)，仍要產(chǎn)生大量的熱量。為保證設備的正常工作，把大量的熱量散發(fā)出去，優(yōu)化散熱與通風(fēng)方案，進(jìn)行合理的設計與計算，實(shí)現設備的高效散熱，對于提高設備的可靠性是十分必要的。
高壓變頻器在正常工作時(shí)，熱量來(lái)源主要是隔離變壓器、電抗器、功率單元、控制系統等，其中作為主電路電子開(kāi)關(guān)的功率器件的散熱、功率單元的散熱設計、及功率柜的散熱與通風(fēng)設計最為重要。
2 功率器件的散熱設計
通常對igbt或igct模塊來(lái)說(shuō)，其pn結不得超過(guò)125℃，封裝外殼為85℃。有研究表明，元器件溫度波動(dòng)超過(guò)±20℃，其失效率會(huì )增大8倍。功率器件散熱設計關(guān)乎整個(gè)設備的運行安全。
2.1 在進(jìn)行功率器件散熱設計時(shí)應注意的事項
(1) 選用耐熱性和熱穩定性好的元器件和材料，以提高其允許的工作溫度;
(2) 減小設備(器件)內部的發(fā)熱量。為此，應多選用微功耗器件，如低耗損型igbt，并在電路設計中盡量減少發(fā)熱元器件的數量，同時(shí)要優(yōu)化器件的開(kāi)關(guān)頻率以減少發(fā)熱量;
(3) 采用適當的散熱方式與用適當的冷卻方法，降低環(huán)境溫度，加快散熱速度。
以目前最常見(jiàn)的單元級聯(lián)式高壓變頻器為例，對其中一個(gè)功率單元為例進(jìn)行熱設計。功率器件采用igbt，其電路如圖1所示。
2.2 損耗功率的估算
在設備穩態(tài)運行時(shí)，功率單元內整流二極管、igbt、續流二極管總的功率損耗即為散熱器的耗散功率。因此熱設計的第一步就是對上述器件的總功耗進(jìn)行估算。
圖1 功率單元電路圖
(1) igbt的功率損耗一般包括通態(tài)損耗、斷態(tài)損耗、開(kāi)通損耗、關(guān)斷損耗和驅動(dòng)損耗，在估算時(shí)主要考慮通態(tài)損耗、開(kāi)通損耗與關(guān)斷損耗;
每一個(gè)igbt的通態(tài)損耗:
每一個(gè)igbt的開(kāi)關(guān)損耗:
(2) 對續流二極管來(lái)講，主要估算它的通態(tài)損耗與關(guān)斷損耗;
通態(tài)損耗:
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(jiǎn)便方法是從制造廠(chǎng)給出的通態(tài)損耗功率與通態(tài)平均電流關(guān)系曲線(xiàn)直接查出。
上述功率單元總的功耗為:
p=(pss+psw)×4+pd×6 (5)
2.3 穩態(tài)下的結溫計算
結溫的計算是建立在如圖2所示的簡(jiǎn)化熱阻等效電路的基礎上的。上述功率單元的簡(jiǎn)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)是器件結到管殼基準點(diǎn)穩態(tài)熱阻，由制造廠(chǎng)家提供，一般在數據表中給出上限值或給出瞬態(tài)熱阻曲線(xiàn)取t→∞的穩態(tài)值;
rθ(c-a)是管殼未通過(guò)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(chǎng)家在數據表中給出;
rθ(c-a)是散熱器基準點(diǎn)到環(huán)境基準點(diǎn)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
在熱平衡條件下對于器件的熱阻:
(2) 瞬態(tài)熱阻
由于電力電子器件工作在周期性的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，就需考慮其瞬態(tài)熱阻所造成的結溫波動(dòng)是否超過(guò)最大結溫。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溫可以參考廠(chǎng)家所給出的瞬態(tài)熱阻曲線(xiàn)來(lái)計算。如圖3示出了eupc型號為bsm400ga120dlc的igbt模塊瞬態(tài)熱阻曲線(xiàn)zthjc=f(t)。
圖3 igbt模塊瞬態(tài)熱阻曲線(xiàn)
(3) 穩態(tài)下的結溫計算
通過(guò)上述方法分析得到整個(gè)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溫或計算散熱器的熱阻。
同時(shí)在計算熱阻時(shí)，應考慮到損耗功率的波動(dòng)與負載的波動(dòng);即在考慮結溫的平均值的同時(shí)，應考慮到其波動(dòng)的幅度。通常情況下，需保證在給定條件下所出現的最高結溫不大于其最大定額150℃，計算穩態(tài)結溫時(shí)考慮留出5℃的裕度。
3 功率單元的散熱冷卻設計
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(xiàn)開(kāi)關(guān)器件驅動(dòng)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(guò)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(mǎn)足其散熱要求。因此功率單元的冷卻設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(lái)降低，通過(guò)散熱器增加功率器件的導熱和輻射面積、擴張熱流以及緩沖導熱過(guò)渡過(guò)程，直接傳導或借助于導熱介質(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熱體,散熱器熱阻(r(s-a))估算公式:
式(9)中:k為散熱器熱導率;
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(gè)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(guò)45℃時(shí)成立。
值得注意的是，散熱器的制造工藝會(huì )影響到其導熱系數，如鑄造鋁合金、擠壓成型或釬焊散熱器應區分考慮。同時(shí)在選配散熱器時(shí)應考慮:散熱器根部厚度應滿(mǎn)足熱的傳導;翼片的數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(cháng)度是一個(gè)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)與處理設備，增加了設備的復雜程度。采用該方式時(shí)，應注意為防止純水會(huì )引起生銹與結凍，一般采用水與醇混合?；旌媳壤龝?huì )影響到冷卻液的熱阻，當混合比例為50%時(shí)，其熱阻一般增大50%。正常情況下應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，當冷卻表面的溫度低于露點(diǎn)時(shí)，水冷散熱器會(huì )引起凝露現象，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(diǎn)為0℃，根據標準要求，額定溫差為5℃，因此工作溫度不應低于5℃;同時(shí)相對濕度≤90%(25℃)，相對濕度變化率應≤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)，密封在具有毛細結構的銅管內的沸騰散熱器。功率器件產(chǎn)生的熱量通過(guò)散熱器傳導給流體，流體汽化后擴散至整個(gè)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(wú)外加設備、工作可靠、結構簡(jiǎn)單，重量輕、不用維護等優(yōu)點(diǎn)，一般適用于大功率、分立元件的場(chǎng)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(chǎng)、部分化工廠(chǎng))可以采用熱管散熱器，因為可以做到整個(gè)功率變換部分的密閉性。
國內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(dòng)內燃機車(chē)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(jiàn)到采用熱管散熱的高壓變頻器?？紤]到上述幾種散熱方式，熱管散熱應是首選的考慮。
3.4 其它注意事項
高壓變頻器無(wú)論采用何種冷卻方式，器件在散熱器上安裝時(shí)應注意其安裝位置。器件在散熱器上的布局應注意以下幾點(diǎn):
(1) 散熱器的中心位置熱阻最小;
(2) 在同一個(gè)散熱器上安裝多個(gè)功率器件時(shí)，在考慮各個(gè)器件發(fā)生的損耗情況的基礎上，決定安裝的位置，對產(chǎn)生大損耗的器件應給予最大的面積;
(3) 安裝模塊的散熱器表面，應注意螺釘位置間的平面度控制在100以?xún)?，表面粗糙度控制?/font>10以下，表面如有凹陷會(huì )直接導致接觸熱阻的增加;
(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(guò)數據手冊要求的值。
4 整機的散熱與通風(fēng)設計
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(jiǎn)單，不存在水冷時(shí)的凝露問(wèn)題，以及熱管散熱器設計的復雜性，在確定合適的通風(fēng)結構的情況下，一般采用此種方式。采用強制風(fēng)冷方式需要在結構設計時(shí)考慮散熱風(fēng)道。散熱風(fēng)道的設計應在充分考慮單元散熱的要求下，應盡量?jì)?yōu)化。常見(jiàn)的多電平串聯(lián)方式的高壓變頻器，從結構上分為功率柜體、變壓器柜、控制柜。功率柜風(fēng)道設計通常有兩種方式: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(gè)功率的散熱器上下相對，形成上下對應的風(fēng)道，其特點(diǎn)由上下多個(gè)功率單元形成串聯(lián)的通路，結構簡(jiǎn)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(wèn)題，造成上面的功率單元環(huán)境溫差小，散熱效果差。其結構如圖4所示。
圖4 功率柜風(fēng)道結構圖
4.2 并聯(lián)風(fēng)道
并聯(lián)風(fēng)道中從每個(gè)功率單元的前面進(jìn)風(fēng)，對應的進(jìn)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(shí)整個(gè)功率柜一般采用冗余的方法，有多個(gè)風(fēng)機并聯(lián)運行，整體散熱效果好，并提高了設備的可靠性。但柜體后面要形成風(fēng)倉，增大了設備的體積，同時(shí)由于各個(gè)功率單元后端到風(fēng)機的距離不同，使得每個(gè)功率單元的風(fēng)流量不一致，在設計時(shí)應加以考慮。
4.3 散熱風(fēng)機的選擇
整個(gè)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，使散熱系統達到某種溫度值的熱平衡。在穩定的平衡狀態(tài)下，根據公式:p=h×a×△t，在已確定系統耗散功率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h可以求出。美國、日本規定風(fēng)機噪音不得大于65db，所以他們規定的風(fēng)速為2～4m/s。因此在考慮風(fēng)機選擇時(shí)，應保證電力半導體器件風(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 結束語(yǔ)
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(méi)有污染等優(yōu)點(diǎn)，應更新設計理念，大力推廣?？傊?，開(kāi)發(fā)和選擇新型高效散熱技術(shù)對高壓變頻器進(jìn)行冷卻，是提高設備可靠性和縮小設備體積的一個(gè)重要措施。
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