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高压变频器散热与通风的设计
硬件 2009-06-02 10:56 阅读52 评论 1
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1、引言
在电力、化工、煤矿、冶金等工业生产领域要求高压变 频器有极高的可靠性。影响高压变频器的可靠性指标有多项，其中在 设出5°C的裕度。
3、功率单元的散热冷却设计
功率单元中的元器件主要包括整流二极管、igbt （或 igc t）模块、电容、快速熔断器、母线开关器件驱动电路以及其它一 些保护电路。除二极管整流模块与igbt模块（igct）外，其余元器 件由于在功率单元中通过支架等方式安装，在保证足够的空间距离与 必要轻微空气的对流的条件，已满足其散热要求。因此功率单元的冷 却设计主要考虑二极管整流模块与igbt模块（igct）的散热要求。
功率器件的耗散功率所产生的温升需由散热器来降
低，通过散热器增加功率器件的导热和辐射面积、扩张热流以及缓冲 导热过渡过程，直接传导或借助于导热介质将热量传递到冷却介质 中，如空气、水或水的混合液等。目前在高压变频器中常用到的冷却 方式为强制空气冷却、循环水冷却、热管散热器冷却。
强制空气冷却
强制空气冷却用的散热器通常是一块带有很多叶片的
良导热体，散热器热阻（r （s-a））估算公式: f' 式（9）
中:k为散热器热导率；
d 和 a 分别是散热器的厚度和面积，分别以 cm 和 cm2 表
示;
c 是一个与散热器表面和安装角度有关的修正因子。
此式在空气温度不超过45°C时成立。
值得注意的是，散热器的制造工艺会影响到其导热系 数，如铸造铝合金、挤压成型或钎焊散热器应区分考虑。同时在选配 散热器时应考虑:散热器根部厚度应满足热的传导;翼片的数目与波 纹在保证最大散热面积的前提下不至于产生太大的流体阻力;翼片的 高度与厚度之间的比例要合理。如要保证散热有较大的裕量，增大散 热器的长度是一个较好的选择。
循环水冷却
高压变频器采用循环水冷却方式可以大大提高散热效 率，使得单位功率的体积小，可极大的减小整机的尺寸。与强制空气 冷却相比，散热器表面与流体的温差比较小，一方面可以提高功率， 另一方面可以降低芯片的温度，提高其寿命。但采用循环水冷却方式 需要有水循环与处理设备，增加了设备的复杂程度。采用该方式时， 应注意为防止纯水会引起生锈与结冻，一般采用水与醇混合。混合比 例会影响到冷却液的热阻，当混合比例为 50%时，其热阻一般增大 50%。正常情况下应保证水的流速不小于8 升/分。
在高温湿热的环境中，由于空气中的相对湿度比较高，
当冷却表面的温度低于露点时，水冷散热器会引起凝露现象，由此可 能造成器件的绝缘破坏。因此水冷式高压变频器对环境要求要高一 些。通常水的凝固点为0°C,根据标准要求，额定温差为5°C,因此 工作温度不应低于5°C;同时相对湿度W90%(25°C)，相对湿度变化 率应
W5%/h。
热管散热器
热管散热器是采用水或其它传热流体为冷却介质，密封 在具有毛细结构的铜管内的沸腾散热器。功率器件产生的热量通过散 热器传导给流体，流体汽化后扩散至整个铜管，以散热片散热冷却成 水后回流到吸热面。热管散热器具有传热能力强、均温能力优良、热 密度可变、无外加设备、工作可靠、结构简单，重量轻、不用维护等 优点，一般适用于大功率、分立元件的场合; 在一些特殊的生产工况 如粉尘比较多的地方(煤矿、焦化厂、部分化工厂)可以采用热管散 热器，因为可以做到整个功率变换部分的密闭性。
国内的电力电子变换器行业多年前已采用热管散热 器。如 df4 型电传动内燃机车的电力整流柜改用热管替换原有的纯铝 散热器;上海威特力焊接设备制造有限公司在400a以上的逆变焊机 中每台都用热管散热器为 igbt 和二极管散热。但目前还未见到采用 热管散热的高压变频器。考虑到上述几种散热方式，热管散热应是首 选的考虑。
其它注意事项
高压变频器无论采用何种冷却方式，器件在散热器上安
装时应注意其安装位置。器件在散热器上的布局应注意以下几点:
（1） 散热器的中心位置热阻最小;
（2） 在同一个散热器上安装多个功率器件时，在考 虑各个器件发生的损耗情况的基础上，决定安装的位置，对产生大损 耗的器件应给予最大的面积;
（3） 安装模块的散热器表面，应注意螺钉位置间的 平面度控制在 100 以内，表面粗糙度控制在10 以下，表面如有凹陷 会直接导致接触热阻的增加;
（4） 为使接触热阻变小，在散热器与功率元件的安 装面之间应均匀涂敷散热绝缘混合剂，并施加合适的紧固力矩，使器 件外壳对散热器的接触热阻不超过数据手册要求的值。
4、整机的散热与通风设计
高压变频器常风的冷却方式主要为散热器强制风冷、循
环水冷却和热管冷却等。因强制风冷方式简单，不存