光伏逆變器的散熱研究與應(yīng)用

陳云峰+閔麗萍

（常州佳訊光電產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司 江蘇常州 213022）

摘 要：本文以大功率逆變器為例子，根據(jù)各模塊單元發(fā)熱方式及發(fā)熱量，尋找最適合其的散熱方法，保護(hù)各模塊單元內(nèi)部元器件在最高允許溫度下正常運(yùn)行，從而能夠保證整機(jī)設(shè)備正常運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：逆變器； 模塊單元； 散熱

1 引言

隨著逆變器單機(jī)功率的增大，IGBT逆變模塊、電抗器等主要器件的熱損耗也在不斷增大，通風(fēng)散熱的重要性也凸顯出來(lái)。在產(chǎn)品研發(fā)前期階段，針對(duì)同一單品往往有多種風(fēng)道設(shè)計(jì)方案，利用熱分析技術(shù)在眾多方案中選擇最佳散熱方案能有效的提高產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性，保證整機(jī)設(shè)備正常運(yùn)行。

目前，針對(duì)逆變器的散熱分析多局限于IGBT模塊及其散熱器，整機(jī)散熱分析多存在于小功率逆變器中。本文以大功率逆變器為例子，以內(nèi)部各模塊單元散熱為重點(diǎn)，進(jìn)行逆變器整機(jī)散熱分析。

2 散熱方式

以大功率逆變器為例子，通過(guò)分析各模塊單元發(fā)熱方式及發(fā)熱量，尋找最適合其的冷卻方式。目前大功率逆變器冷卻方式有：

1、自然冷卻：空氣自然對(duì)流將熱量帶到周?chē)臻g，這種散熱方式可以用在發(fā)熱功率不大，重量溫度等要求不高的場(chǎng)合，優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)噪音、價(jià)格低廉。

2、強(qiáng)迫空氣冷卻：發(fā)熱功耗大的器件，選用強(qiáng)迫風(fēng)冷式很必要，尤其配合一些高效能散熱器可以得到理想散熱效果，強(qiáng)迫風(fēng)冷換熱效率高，一般是自然散熱方式的數(shù)倍。

3、液體冷卻：冷卻液體與發(fā)熱的電子元器件直接接觸進(jìn)行熱交換。液體冷卻是一種比較好的冷卻方式，其缺點(diǎn)是：系統(tǒng)比較復(fù)雜、體積和重量較大、設(shè)備費(fèi)用較高、維修也較困難。

逆變器屬于發(fā)熱功耗大器件，其主要的熱量產(chǎn)自于電抗器，功率單元以及連接的銅排。單靠自然冷卻已經(jīng)不能完全解決其散熱問(wèn)題，這個(gè)時(shí)候就需要對(duì)它進(jìn)行人為的強(qiáng)化散熱措施。

對(duì)于功率單元和電抗器的散熱情況，屬于單個(gè)電子器件冷卻的情況，因此采用單個(gè)電子元器件的強(qiáng)迫空氣冷卻。

對(duì)于整機(jī)部分，剩余銅排產(chǎn)生的熱耗并不多，因此，采用自然冷卻的方式

3 風(fēng)機(jī)的選擇

風(fēng)機(jī)按其工作原理及結(jié)構(gòu)形式可分為兩類(lèi)：軸流式通風(fēng)機(jī)和離心式通風(fēng)機(jī)。

軸流式通風(fēng)機(jī)空氣進(jìn)出口的流動(dòng)方向與軸線平行，特點(diǎn)是風(fēng)量大，風(fēng)壓小。它又可以分為螺旋槳式、圓筒式和導(dǎo)葉式三種。

離心式通風(fēng)機(jī)由螺殼、轉(zhuǎn)動(dòng)的葉輪及外部的驅(qū)動(dòng)電機(jī)等三個(gè)主要部件組成?？諝鈴妮S向進(jìn)入，然后轉(zhuǎn)90度，在葉輪內(nèi)作徑向流動(dòng)，并在葉輪外周壓縮，再經(jīng)螺殼由出風(fēng)口排出。這類(lèi)通風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)是風(fēng)壓高、風(fēng)量小，常用于阻力較大的發(fā)熱元件或機(jī)柜的通風(fēng)冷卻（圖1）。

圖1 軸流式、離心式風(fēng)機(jī)

選擇通風(fēng)機(jī)時(shí)，應(yīng)根據(jù)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)所需的風(fēng)量、風(fēng)壓及環(huán)境條件（包括空間大?。┻x定風(fēng)機(jī)的類(lèi)型。要求風(fēng)量大、風(fēng)壓低的設(shè)備可采用軸流式通風(fēng)機(jī)，反之可選用離心式通風(fēng)機(jī)。通常的做法是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值粗選一款，然后進(jìn)行熱仿真實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，再根據(jù)熱仿真的結(jié)果確定及調(diào)整所用風(fēng)機(jī)。

4 逆變單元散熱

逆變單元的熱源就是功率開(kāi)關(guān)器件IGBT，因此針對(duì)單個(gè)元器件，采用單個(gè)強(qiáng)迫風(fēng)冷的冷卻方式，選用離心式通風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)從底下鼓風(fēng)，通過(guò)散熱器，再通過(guò)導(dǎo)風(fēng)槽向機(jī)柜外送風(fēng)，外側(cè)的鈑金以及導(dǎo)風(fēng)槽結(jié)合起來(lái)，恰好構(gòu)成IGBT單獨(dú)的風(fēng)道。

5 電抗器散熱

電抗器在進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)時(shí)，選用的是風(fēng)機(jī)抽風(fēng)的方式，抽風(fēng)方式送風(fēng)比較均勻。考慮到是左右對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，將風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)在對(duì)稱中間的位置，這樣兩邊的單獨(dú)散熱可以整合在一個(gè)機(jī)柜中，減少機(jī)柜數(shù)量，降低成本。風(fēng)機(jī)的通風(fēng)口直接對(duì)準(zhǔn)電抗器的上方，在電抗器的四周設(shè)計(jì)擋風(fēng)板，為電抗器設(shè)計(jì)出一個(gè)專用的散熱風(fēng)道，增強(qiáng)散熱效果。風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口與擋風(fēng)板密閉良好，防止熱量泄漏到機(jī)柜其他地方。

通風(fēng)管道采用直的錐形風(fēng)道，不僅容易加工，而且局部阻力也小，錐形的直管能保證氣流在風(fēng)道中不產(chǎn)生回流，可達(dá)到等量送風(fēng)的要求。通風(fēng)管道的長(zhǎng)度不宜太長(zhǎng)，適宜的管道長(zhǎng)度可以降低風(fēng)道的阻力損失，同時(shí)制造和安裝也比較簡(jiǎn)單。采用光滑的鈑金材料制作風(fēng)道，減小摩擦損失。

6 整機(jī)通風(fēng)管道設(shè)計(jì)

圖2 機(jī)柜前門(mén)風(fēng)道流向示意圖 圖3 機(jī)柜后門(mén)風(fēng)道流向示意圖

整體采用自然冷卻的方式，機(jī)柜的前門(mén)以及后門(mén)，增開(kāi)百葉窗，結(jié)構(gòu)布局時(shí)設(shè)計(jì)模塊交錯(cuò)排列并保持相應(yīng)的距離，使得空氣能流通疏散，增加散熱效果，百葉窗位置如圖2和圖3所示。

7 散熱仿真實(shí)驗(yàn)

新型兆瓦級(jí)并網(wǎng)逆變器整機(jī)細(xì)化仿真是在Icepak中耦合完成的，其中的條件設(shè)定說(shuō)明如下：進(jìn)風(fēng)50℃、每個(gè)IGBT損耗為2400W（IGBT結(jié)溫最高限值150℃）、電抗損耗為5144W。

變壓器、電抗器的絕緣等級(jí)，并不是絕緣強(qiáng)度的概念，而是允許的溫升的標(biāo)準(zhǔn)，即絕緣等級(jí)是指其所用絕緣材料的耐熱等級(jí)，分A、E、B、F、H級(jí)。絕緣的溫度等級(jí)分為 A級(jí) E級(jí) B級(jí) F級(jí) H級(jí)。各絕緣等級(jí)具體允許溫升標(biāo)準(zhǔn)如下（表1）：

A E B F H

最高允許溫度（℃） 105 120 130 155 180

繞組溫升限值（K） 60 75 80 100 125

性能參考溫度（℃） 80 95 100 120 145

表1 溫度等級(jí)

新型兆瓦級(jí)并網(wǎng)光伏逆變器的絕緣等級(jí)為H級(jí)，根據(jù)表4-2，最高允許溫度為180℃，圖中最高溫度為130℃，因此散熱結(jié)構(gòu)符合要求。

8 結(jié)論

綜上，在逆變器整機(jī)散熱分析中，引入典型溫度仿真能有效的簡(jiǎn)化分析參數(shù)、明確分析目標(biāo)，通過(guò)對(duì)典型溫度的控制，使整機(jī)散熱性能和散熱分析精度都大為提高。