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/ki.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。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℃。

2.2 整机散热设计

风道设计包括串联风道和并联风道两种，其中串联风道比较简单，为垂直风道可以降低风阻，但是会对散热效果产生一定影响，设计时要扩大通风面积，或者是高风速来增加通风量。并联风道需要在柜体后面配置风仓，冷却空气可以通过风仓汇总后由风机抽出。另外，还要保证风机选型的合理性，保证充足冷空气可以持续流经散热器表面，控制散热系统达到目标温度值热平衡。

3 结束语

高压变频器在实际生产中应用越发广泛，为提高其运行可靠性，必须要就其散热问题进行研究，避免因散热不及时而对设备运行效果产生影响。

参考文献：

[1]董赫伦.高压变频器的散热器选择与性能研究[D].辽宁工程技术大学，2012.

[2]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.

[3]王永鑫.中高压变频器冷却方案比较和选型分析[J].电气传动自动化，2015（03）：47-51.