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摘要：高压变频器散热控制系统的有关设计时非常重要的，会对整个系统的质量有很大的影响。本文主要从高压变频器的散热控制系统中的整体设计要求，还有设计的关键点、设计注意事项进行了分析，以期为高压变频器散热控制系统的设计提供一定的理论指导。
关键词：高压变频器；散热控制系统；设计分析
随着科技的发展和社会需要，电力电子装置的发展更趋向小型化和轻质化，散热技术成为研究的热点和重点。高压变频器的散热系统设计的问题主要是针对功率器件，因为这些功率元件的损耗功率产热，换句话说就是高压变频器主要的热量来源就是开关器件的损耗功率。大多数功率开关都是热敏性元件，这些器件开通、关闭过程都受到温度的影响，所以会对高压变频器的工作性能有所影响。如果温度升高过多，可能会使功率开关遭到永久性的损坏，导致变频器无法正常工作。所以说，要使得高压变频器的散热系统正常运行，设计好散热系统是关键所在。
1 高压变频器散热系统设计的总体要求
现今高压变频器散热系统采用的散热方法有多种，较常用的方法有强制风冷散热和循环水冷散热。实践研究表明，水冷散热是强制风冷的散热效果的6~ 10 倍，从中可以看出，前者散热效率是极高的，但是这种系统的缺点是结构复杂，成本高。因此，出于成本的考虑，还是多采用强迫风冷散热系统。散热器的主要作用就是保护半导体器件，不要因为自身产热而影响了正常的运行。热传输与电传输的传输过程是比较相似的，即有稳态和瞬态传输这两种。设计散热系统时首要考虑的因素第九十选择合适的热阻，达到散热降温的目的。
在设计散热系统时，有些参数是事先需要进行确定的[1]，比如，占据空间的有效容积的大小；电力半导体器件的最大结温；电力半导体器件的耗散功率；电力半导体器件工作时的最高环境温度等。根据这些设定的参数，就可以计算出最大容许的电阻，然后计算出散热器的各项性能指标。
对于风机选择和风道的设计也是有条件的。在强迫风冷模式中，风机所能提供的风压和风量与散热器选择的热阻值之间有很大的关系，风压的选择主要根据散热器的热则来确定，利用热阻- 风压曲线来确定。设计风道时要遵循以下两个的原则：一风道要有助于气流对散热表面的冲击作用，加快热交换的速度，从达到较好的散热效果，二尽可能减小风道的阻力，目的是降低气流对压头的损失。而且，设计出口风道时要保证热气流可以正常配出。
2 功率单元的散热设计
高压变频器发热是两个并联的模块一起产生的，一个是功率模块 IGBT，另一个是 Diode。因此，这些热量必须通过自然风或强迫风将散发出去。IGBT 的损耗主要是一些开关器件的工作状态引起的。大多数IGBT都是通过PWM脉冲控制，因此不确定占空比是多少，理论计算值与实际损耗之间存在一定的差异[2]。
图1 IGBT 导通压降输出特性
（1）功率单元的散热设计
功率单元散热设计主要是针对整流二极管和逆变模块进行的，如果功率器件选择 IGBT模式 作为散热系统的设计，需要注意以下几个方面：（1）各部分器件包括原材料在内，热稳定性都必须良好；（2）选择功耗能力较小的器件，这样可以降低自身产热效果，而且在设计电路的时候尽可能的减少发热器件的使用，减少开关频率，最大可能的减少发热源；（3）在散热和冷却方法的选择上要根据实际进行选择，目的是为了加快散热，把环境温度降下来。
（2）结温计算
进行结温计算之前，首先需要估算出各功率单元耗损功率：如果设备属于正常运行状态时，功率单元的耗散功率是三个耗散功率来衡量，即整流二极管、续流二极管和 IGBT。在设计高压变频散热系统时，首先要对这几种器件耗损总功率进行估算。各估算的公式如下：
IGBT 通态损耗计算公式：
（3）散热器设计与选型
散热器的设计选型，首先要设计插片的一些参数，比如长、宽、厚度 以及要用的数量等。这些参数的设定要根据实际情况进行设定，设计不合适不仅对散热效果没有改善，还有可能造成浪费，成本加大。其次，散热器表面不能有一些腐蚀，但是不能用氧化的方式进行处理，经这种方式处理后，散热效果和热阻都会受到影响。但是在一些符合要求的环境中，可以对散热器表面进行氧化处理，适当提高散热性能；最后，散热器中个部件的安装要科学合理，例如，给损耗大的器件较大的空间，可以在散热器和某些功率器件的表面涂抹一些有助于散热的材料，而且一定要严格按安装说明和要求对各元件进行固定安装，如果设计中出现一些空间布局不合理，就会导致实际安装中有问题，导致散热性能差。
3整机散热设计
（1）风道设计
在设计风道通常选择两种方式[3]，一种是串联风道，另外一种方式就是并联风道。串联风道的特点是结构比较简单，空间分布的功率部件都是通过串联形成的通路，此风道通常设计成上下结构，这样减小了阻力。在这种风道中空气从下至上进行依次加热，所以空间分布靠上的功率器件环境温差较小，散热效果不佳。所以，如果要选用串联风道进行散热，通风面积要设计的比较大，而且通风量也要有所增加。并联风道在各个功率单元的前面进风，各相对应的进风口均呈并联通路，冷却空气进入风仓后通过风机抽出，但并联风道需要在柜体后面配置风仓，这样就是整个设备的体积有所增加。
（2）风机选型
如果整个功率部分用强制风冷却，这是需要保证有持续不断的空气通过散热器的表面，目的是为了使散热系统保持热平衡状态，利用平衡状态下的公式： ，A表示散热器有效散热表面积，P表示系统耗散功率， 为散热器表面温度差，根据这些值和计算公式，得出吸热介质对流换热系数h。根据实践经验的计算，如果设备在稳定状态下运行，电力电子器件风冷散热风速为 3~6m/s时，就可以达到通风栅的要求，因此在设计的过程中要遵循上述原则选择科学合理的风机选型。
4安装系统注意事项
高压变频器散热器上安装时应注意以下几点：首先原材料和元件的选择上要合理；居于散热器的中心位置的功率元件具有的热阻要最小；当散热器上安装多个功率元件时，不仅要考虑功率元件的损耗功率，要合理安排个功率元件所处的空间位置，也就是要进行合理的布局，损耗功率大的元件所需空间也比较大；安装模块的散热器表面，螺钉位置间的平面度和表面粗糙度要掌控好；器件外壳对散热器的接触热阻不超过数据手册要求的值。
5结语
为确保高压变频器散热控制系统正常运行，在设计的过程中要根据实际情况进行设计、估算。要对热路各点温度、损耗功率进行估算，在风道的选择上和管路流量的设计上都要进行验证，确保散热效果的前提下，要综合考虑成本和配置的最优化，获得最大的经济和社会效益。
参考文献：
[1] ]黄炜，何人望，周瑜. 高压变频器散热系统的研究与设计[J]. 华东交通大学学报，2006，05：105-108.
[2] 贾炳琦，董斌，蔡引兄. 高压变频器的通风与散热设计[J]. 电气传动自动化，2013，05：60-62
[3] 李猛. 高压变频器散热与冷却系统的设计[J]. 自动化应用，2015，12：171-173.
通信地址
广东省中山市港口镇芊翠家园D9-1703 黎林18676178813
论文作者:黎林
论文发表刊物:《基层建设》2016年11期
论文发表时间:2016/8/6
标签：功率论文; 风道论文; 变频器论文; 高压论文; 散热器论文; 器件论文; 系统论文; 《基层建设》2016年11期论文;