(浙江佳乐科仪股份有限公司 314300)
摘要：探讨多电平单元串联高压变频器功率单元的热设计，对功率单元正常运作有重要意义，从而保证高压变频器功能的实现。本文主要针对当前多电平串联型高压变频器运行时的热损耗问题，进行功率单元热设计的研究，在结合已有理论基础的条件下，采用热沉系统以及热分析软件，加大对高压变频器使用时热损耗的控制，从而保证高压变频器在电力系统中取得较好运用效果。
关键词：多电平；高压变频器；热设计
前言：随着大功率IGBT器件不断发展成熟，其在电子行业中取得广泛应用，而高压变频器是在IGBT基础上制作成的，当前已经应用在工业生产各个方面。随着环保节能理念逐渐深入人心，使得社会发展对变频器提出更多需求，能实现能源的有效分配。在高压变频器实际使用时，还存在热损耗较大的问题。因此，需要注重变频器功率单元的热设计，尽可能加强变频器使用中的散热效果，来发挥高压变频器应用价值。
一、热设计要求和原则
在进行高压变频器功率单元的热设计时，需要满足以下设计要求：热设计应考虑电子设备允许的最高能耗和运作温度要求，确保热设计的合理化；热设计应符合电子设施对工作环境的温度要求；热设计要与冷却系统运行要求联系起来；严格按照其余有关标准进行设计，得到较好的热设计成果。只有在遵循上述热设计要求的情况下，才能达到降低变频器运行时热损耗的目的。在热设计流程方面，为了确保热设计合理化，设计人员要具体分析造成热损耗的有关因素，通过运用冷却系统来提高电子设备运用可靠性，为高压变频器提供一个良好的运行环境。一个规范的热设计流程，能保证设计效果较好，确保热设计方案有效落实到高压变频器功率单元优化设计上[1]。以300A高压变频器功率单元的设计原则为例，实际设计时，需要结合已有标准和变频器特点，确定需要遵循的原则。如在热设计中，要运用数学计算和仿真分析等方法，明确各项设计参数，是保证热设计成功的关键。并且在热设计中，要维持变频器稳定性，避免由于设计操作对变频器性能造成破坏。另外，在保证热设计效果的同时，应尽可能降低研发成本，通过采取先进的研发技术，确保研发工作顺利进行。
二、多电平串联型高压变频器功率单元的热设计
（一）功率单元有关参数的确定
为了加深对高压变频器热设计要点的了解，本文以300A高压变频率功率单元的热设计为例，具体分析热设计中有关参数的选择。将功率单元运行目标设定为输出的有效电流是300A，电压为660V。在此基础上确定IGBT的型号，计算可得电流峰值为424A，加入谐波后电流峰值为551A，由此可知IGBT容量不能低于551A，之后按照有关参考文件，选择恰当的IGBT器件。另外，在二极管选择上，本文研究的功率单元运行特点为二相输出、三相输入，利用功率变换公式，进一步计算基波电流值。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆输入回路为三相全波电路，根据基波电流值可计算出回路中额定电流为294A，由此确定二极管容量[2]。
在确定基础应用参数后，还要计算功率单元的热损耗。根据运行电流、热损耗功率表、热阻、输出功率因素，可得出IGBT的热损耗值；在二极管热损耗计算上，需要运用反向续流二极管通态热损耗功率、二极管运行电流、正向压降、输出功率因素等，计算二极管热损耗值；在IGBT开关热损耗计算方面，运用到的参数包括运行电流、开关热损耗、开关频率、单次关断脉冲时的热量损耗等参数。在功率单元前端为全桥二极管电路，在二极管开关过程中产生的热损耗较少，相对来讲，二极管运行工程中会产生较大的通态损耗，因此，为了保障热设计有效性，应主要针对二极管通态损耗进行计算。在计算单个二极管的通态损耗时，可利P=fW=50IVt这一表达式求得，其中P为二极管开关损耗；f为关断频率；I二极管平均电流；V通态压降；W为通态能量损耗；t为通态导通时间。
（二）散热器的选择
在掌握上述基础参数的基础上，可针对高压变频器运行需求选择相应的散热器型号。不同运行环境下对功率单元散热效果的要求不同，为了提高变频器运行安全性，需要设置恰当的安全系数。对于300A的高压变频器来讲，可设计1.3倍的安全系数，将安全系数和功率器件总的热损耗值相乘后，可得出热沉功率。在选择散热器时，首先要确定散热器内阻值，综合考虑散热器热阻、运行环境温度、器件结温、使用功率等参数，确定散热器内阻。在选择散热器时，考虑到铝散热器具有成本低、重量轻等特点，在变频器热设计中有广泛应用，并且为了缩小功率器件体积，可选择高散热功能的插片型散热器。之后可通过仿真分析，来评价功率器件热设计效果，在进行散热器的结构设计时，通过热分析软件进行散热器运行状态的仿真，进一步得到截面温差图和对流矢量图。试验表明，本文提出的功率单元散热设计有一定适用性，在解决高压变频器运行中的热损耗问题上有重要意义。对于大功率的电子设备而言，采用散热系统能及时将半导体器件生产的热量散发出去，进而保障设备运行安全性。半导体器件能否在安全的运行环境下运作，是散热设计成功与否的关键，还要从已有经验着手，不断优化功率器件的散热设计方案。
结论：综上所述，为了保证高压变频器在工业生产中取得较好运用，需要在热设计理论基础上，进行变频器功率模块的热设计，以提高设备散热效果为主，合理设计散热器和功率器件的热阻，同时要保证散热器型号的合理选择。通过进行高压变频器的优化设计，能满足现代工业发展需求，从设计层面出发，实现变频器运用时有较好的经济效益。
参考文献：
[1]李健,常大伟.功率单元串联式多电平高压变频器在西气东输的应用[J].科技传播,2014,6(14):170-171.
[2]李兴宁,王书杰.单元串联多电平高压大功率变频器研究[J].大功率变流技术,2016(03):5-8.
论文作者:顾月刚, 富勤飞
论文发表刊物:《电力设备》2018年第32期
论文发表时间:2019/5/17
标签：变频器论文; 功率论文; 高压论文; 单元论文; 散热器论文; 电平论文; 电流论文; 《电力设备》2018年第32期论文;