引言

變頻器屬大功率電力電子設備，內(nèi)部需配備大量功率半導體器件，工作過程中會產(chǎn)生大量熱量。而功率半導體器件屬溫度敏感器件，因結溫過高導致功率半導體器件燒毀是變頻器故障中最常見的原因之一。為保證變頻器設備的穩(wěn)定可靠運行，散熱系統(tǒng)的設計是關鍵的一環(huán)。實際經(jīng)驗表明，散熱系統(tǒng)設計的好壞，直接影響到變頻器能否長時間安全穩(wěn)定的工作。

一、變頻器散熱系統(tǒng)設計

變頻器散熱系統(tǒng)的設計包括以下三個方面：

1、依據(jù)負載計算功率器件的損耗【1】；

2、功率器件及散熱器的熱阻計算及建模仿真，求取散熱器與功率器件各點的溫度【1】；

3、根據(jù)各點的溫升以及實際環(huán)境條件，調(diào)整風扇選型、散熱器以及風道設計，確定最終的散熱系統(tǒng)方案【1】。

（一）損耗的計算

以IGBT模塊為例，損耗分為開關損耗和導通損耗。其中開關損耗又分為IGBT芯片的開關損耗和DIODE芯片的反向恢復損耗，其計算公式如下：

由上式可知：開關損耗與開關頻率成正比，與輸出電流成正比，與直流電壓成正比。

導通損耗也分為IGBT芯片的導通損耗和DIODE芯片的導通損耗，計算一般分為：

通過簡化可以得到以下公式：

上述參數(shù)也可以通過線性擬合來獲知，從而得到實際電流時的導通損耗。

在實際損耗計算中，還要考慮結溫影響、過載損耗、不同工況條件下?lián)p耗等因素。

（二）熱阻的計算及建模仿真

熱阻表示熱量在熱流路徑上遇到的阻力大小，反映介質(zhì)或介質(zhì)間的傳熱能力的大小，表明了1W熱量所引起的溫升大小，單位為℃/W或K/W。（一般表達熱阻時，需說明從某處到某處的熱阻，可以分別表示）

對于IGBT的熱阻，可以通過器件手冊中的數(shù)據(jù)獲悉其結殼的熱阻Rjc。散熱器的熱阻以強制空氣冷卻用散熱器為例，熱阻經(jīng)驗公式為：

式中，k為散熱器熱導率，單位W/（cm·℃）；d為散熱器基板厚度，單位cm；A為散熱器有效散熱面積，單位cm2；C1為散熱器表面狀況和安裝狀態(tài)相關系數(shù)，散熱器水平安裝與垂直安裝的散熱效果不同；C2為強迫風冷條件下散熱器相對熱阻系數(shù)；C3為空氣換熱系數(shù)。

在設計工作中，還應考慮導熱硅脂的熱阻和不同風扇的風量等因素，并通過實際測試結果與計算值對照進行建模仿真，求取功率器件和散熱器各關鍵點的溫升。

（三）散熱系統(tǒng)的設計

一般應用中，均設置散熱器溫升為40K，環(huán)境溫度為40？C，那么計算結果應該不高于80？C。如果計算結果高于80？C，則需要對散熱系統(tǒng)進行優(yōu)化改進以降低熱阻，以保證功率器件結溫處于安全值內(nèi)（以最高結溫為175℃的四代IGBT為例，應確保應用中最高結溫在150℃以內(nèi)）。

對于強迫風冷的散熱系統(tǒng)，降低散熱器熱阻的主要方法有：

①插片式散熱器，對基板的厚度，翅片的高度、厚度、間距和數(shù)目進行合理優(yōu)化。

②對于型材散熱器可根據(jù)廠家提供的熱阻曲線或參數(shù)優(yōu)選型材。

③在允許的情況下，應選擇導熱系數(shù)較高的材料。

④將散熱器垂直放置，加大進風口與出風口的距離，利用相對較輕的熱氣 流形成煙囪效應。

⑤通過合理優(yōu)化散熱系統(tǒng)的風道形狀來改變空氣相對于散熱器表面的流動方向，在空氣流場中加入紊流，增強系統(tǒng)對流換熱效果。其中，紊流時的散熱效果為層流時的3～4倍【1】。

⑥采用多個高轉速、大功率風扇，通過提高空氣流動速度，增強系統(tǒng)換熱效果【1】。

二、變頻器散熱系統(tǒng)的優(yōu)化

散熱設計是整個結構設計的重點，也是關乎整機性能的關鍵。散熱形式分為三種：自冷、風冷和水冷。合康變頻器通常采用風冷散熱，一般要設計獨立的散熱風道（獨立風道指風所經(jīng)過的通道與整機其它部件相隔離）。風機安放在進風端是吹風方式，安放在出風口為抽風方式。兩種方式可按實際情況靈活選用。合康變頻主要通過散熱器的優(yōu)化和風道的優(yōu)化來實現(xiàn)變頻器散熱系統(tǒng)的優(yōu)化設計。

（一）散熱器的優(yōu)化

合康變頻使用的散熱器以型材散熱器和插片式散熱器為主。小功率變頻器一般選擇型材散熱器。型材散熱器采用壓注法可以將散熱片做成多種立體形狀，散熱片可根據(jù)需求做成各種復雜形狀，因工藝簡單而被廣泛采用。

大功率變頻器一般采用插片式散熱器。由于大功率變頻器發(fā)熱相對嚴重，插片散熱器的散熱片細長比較型材散熱器可高60倍以上，在相同體積內(nèi)散熱面積可以大大增加，提高散熱效果，且散熱片可選用不同材質(zhì)制作。缺點是利用導熱膏和焊錫結合散熱片會存在介面阻抗問題，從而影響散熱。

上述兩種散熱器的設計優(yōu)化可以通過散熱器大小、基板厚度、散熱片間距等參數(shù)來實現(xiàn)。

散熱片的基板厚度對提高散熱片的效率有很大影響，基板足夠厚夠厚才能保證足量的熱能順利傳到所有的散熱片。但底部太厚會造成材料的浪費和熱累積，從而導致熱傳能力下降。好的基板設計必須保證厚度由熱源部分向邊緣部份漸薄，才可使散熱片由熱源部分吸熱，然后向周圍較薄的部分迅速傳遞。

合康變頻通過熱仿真軟件對變頻器進行熱分析，如圖1，通過圖中溫度和流場的顯示來了解溫度分布和風速大小，根據(jù)溫升結果來判斷該散熱器是否能滿足散熱需求。如果分析結果顯示模塊溫升過高，則可以通過改變散熱器大小、基板厚度和散熱片間距等參數(shù)設計最優(yōu)的散熱器，使散熱器滿足散熱需求，提高整機運行的性能，避免散熱器反復打樣。

圖1 散熱器溫度分布和風速大小

（二）風道的優(yōu)化

如圖2所示，變頻器風道設計一般采用吹風和抽風兩種設計方式。

圖2 變頻器抽風（左）和吹風（右）方式

如圖3所示，合康變頻器在風扇出風口和散熱器之間加了一塊導風板，風扇吹出來的風會沿著導風板均勻的進入散熱器，提高了風扇的利用率。通過風道的優(yōu)化，提高散熱器換熱能力，可縮小散熱器的尺寸，讓機箱尺寸整體減小，降低了變頻器的生產(chǎn)成本。

圖3 風道中加導風板

三、結束語

散熱系統(tǒng)的好壞直接影響產(chǎn)品的性能、壽命和成本，散熱片是高效的散熱方式，合理的散熱片設計可改善設備系統(tǒng)的發(fā)熱狀況。新建項目開始設計時應充分考慮產(chǎn)品的熱承受能力，在節(jié)約成本的同時，拿出最優(yōu)化的設計方案，設計出散熱效果更好的變頻器。

編輯：jq