理论研究 工案技术 ２５２ 高压变频器散热系统设计分析 韩飞，杨斌 （山东烟台２６４０００） 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／ｊ．ｃｎｋｉ．３７—１２２２／ｔ２０１７．０３．２１９ ０引言 ＩＧＢＴ开关损耗为 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 Ｐ螂 ＋ Ｊ。ｓｉｎｘ＆＝（Ｅ～， 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 晴况进行计算设计， 综上，功率单元总耗损功率为： 对散热系统进行优化。 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 １ 高压变频器热量特点 表示散热器表面温度；Ｔｉ 表示ＩＧＢＴ结温；Ｔｃ表示ＩＧＢＴ管壳温度； 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 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 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 下可以在数据表中给出相应瞬态热阻曲线在ｔ一。。稳态值或上限值； 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 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 Ｏ．５％～１．５％，其中应用电抗器发热量可以达到Ｏ．５％，应用变压器发热量 时可以对称部分热量忽略不计；Ｒｏ 表示管壳到散热器触热阻，由厂 基本上为１．５％Ⅲ。第二，则为变频器功率器件损耗，如ｓＧｃＴ、ＩＧＢＴ、 家提供数据；Ｒｏ 表示散热器基准点到环境基准点的热阻，此数值受 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 散热器尺寸、形式以及冷却方式等因素影响 。 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 在热平衡条件下，其间静态热阻为： 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 Ｒｏ＝等＝警 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。 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 ２高压变频器散热系统设计要点 过最大结温。其中，瞬态热阻为： ２．１ 功率单元散热设计 ｚ ： 王 ‘ ． （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 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 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， 计算公式为： ＝Ｌ＋ＰＡｖ× ＝Ｌ＋Ｐ＾ｖ Ｘ（ ㈣＋ ＋Ｒ ． ） 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 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 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 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 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 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℃。 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。 ２．２整机散热设计 （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、 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， 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 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 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 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 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 较大的器件，需要预留出较大的面积 。并且，所有散热器和功率器 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， 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 控制散热系统达到目标温度值热平衡。 按照设计标准对力矩进行紧固处理。第三，表面处理。很对高压变频 ３结束语 器表面会进行氧化处理，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 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， 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 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 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 产生影响。 进行有效估算。续流二极管通态、关闭损耗分别为： ｌ Ｉ ｌ 参考文献： ，口 ÷一 ｏ １『 ｃｏｓＯ）；只ｎ一－＇￣－ｏ － ，ｎ ［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 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 大学，２０１２． 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。 ［２】李猛．高压变频器散热与冷却系统的设计【Ｊ】．自动化应 ＩＧＢＴ耗损主要包括通态、断态、关闭、开通以及驱动多种，功率 用，２０１ ５（１２）：１ ７１—１７３． 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： 【３］王永鑫．中高压变频器冷却方案比较和选型分析…．电气传动自 ．ｒ１ｒ ，．… 动化．２０１５（０３）：４７—５１． ，砷ｃ＾】 柚 ＿Ｊ ｓｉ ± 出 作者简介：韩飞（１９８７－），男， 山东烟台人，本科，质量工程师（中 ＝，叩￡， （寺＋ ｃ。ｓ 级），机械助理工程师（初级） ，研究方向：产品结构与传动设计。