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通用变频器散热系统设计
1 引言
温度是严重影响一切电器元件使用寿命的关键因素，半导体器件对温度更是敏感，其所有参数定额都是以某一规定温度为前提条件的，结温过高几乎是摧毁所有半导体器件的最终原因。变频器中的电力半导体器件的散热是控制温升的重要手段[1]。通用变频器中的散热器通常要占整机体积的1/3～1/2，可见其作用非同小可。尤其是温度对变频器性能和使用寿命的影响通常是由量变到质变的缓慢过程，所以往往被人们忽略。因此，研究散热技术有利于正确、合理地设计和使用变频器，提高变频器运行的可靠性和安全性，延长使用寿命。
2 变频器的常用散热方式
变频器的冷却与散热系统设计包括结构设计和冷却介质的选择两方面的内容。散热器结构的选择应考虑以下因素:辅助设备的能耗、体积和重量;装置的复杂性和操作的难易程度;以及装置的可靠性、可用性和可维护性。而冷却介质的选择则应考虑电绝缘性、化学稳定性、对材料的腐蚀性、对环境的影响和易燃性以及介质成本。
2.1 空气冷却方式
常用的空气冷却方式包括“自冷”和“强迫风冷”两种(见表1)。
表1 冷却装置散热效率比较
(1)自冷式散热器
所谓“自冷式”冷却是通过空气的自然对流及辐射作用将热量带走。这种散热器效率很低，但是由于它的结构简单、无噪音、免维护，特别是没有运动部件，所以可靠性高，非常适用于额定电流在20a以下的器件或简单装置中的大电流器件。随着半导器件价格的不断降低，有些较大容量的器件也采用自冷式散热器，尤其在冲击负载的变频器中应用更广泛。
(2)风冷式散热器
风冷式散热器主要用于电流额定值在50~500a的器件[2]。风冷式散热器的特点是散热效率高，其传热系数是自冷式散热效率的2~4倍。因需配备风机，因而噪声大，容易吸入灰尘，可靠性相对降低，有一定维护量。散热器材料质量特性对散热效率有显著影响。紫铜导热系数相当于工业纯铝的2倍，在相同散热效率下，紫铜散热器的体积为铝质散热器的1/3~1/2，但由于铜的比重大，价格高，一般较少应用。在通用变频器中，几乎都是采用风冷式铝质散热器。
2.2 液态冷却
液态冷却将导热系数较之气体冷却可显著提高，效率比较如表1所示。对于功率密度大的电力电子装置而言，液体冷却是最好的选择[3]。但液体冷却系统需要利用循环泵来保证冷却液在热源和冷源之间循环，以交换热量。
(1) 油冷式散热器
由于油的冷却性能比空气好，同时也由于将阀体安装在油箱中可以免受环境条件的影响，具有很高的绝缘性和电磁屏蔽效果，所以曾在高压大功率电力电子装置中得到相当广泛的应用。但由于水冷系统不论从冷却效果还是环境影响方面均具有明显的优势，所以近年来油冷系统似乎已渐渐淡出高压大功率变流器领域。
(2)水冷式散热器
水冷式散热器的散热效率极高，等于空气自然冷却换热系数的150～300倍。以水冷式散热器代替风冷式散热器，可大大提高器件的容量。但是，由于普通水的绝缘性较差，水中存在的杂质离子会在高电压下导致电腐蚀和漏电现象，只有在低电压(如400vdc或380vac)下，才可以采用普通水冷却。为使上述水冷系统进入高压大功率电力电子领域，必须解决冷却水的纯度和长期运行时系统的可靠性及腐蚀两大问题。
3 散热器的热阻计算[4]
3.1 热阻的概念
热阻表示介质传热的能力，其意义就是单位功耗所引起的温升，通常用rth表示，单位是℃/w。一般在说热阻时，需说明从某处到某处的热阻，可以分别表示。比如，从管壳到散热器的热阻(接触热阻)用rthef表示，从散热器到环境空气的热阻用rthfa表示等。
3.2 热路欧姆定律
当热量从a物体向它周围的b物体扩散时，a物体的温升δta等于a物体的发热功率p与从a物到b物体热阻rthab的乘积，即
δta＝p×rthab (1)
pa=p1+p2+...+pn (2)
3.3 散热器的热阻计算
假设传到散热器上的热功耗为p，散热器的允许温升为δtfa，δtfa为散热器温度tf与环境空气温度ta之差。由热路欧姆定律式(1)就可以求出散热器的热阻rthfa为
rthfa＝δtfa/p (3)
利用上述公式计算rthfa时，如果散热器上装有多只功率器件，则需要注意两点:一是需要用式(2)计算总功耗，二是计算允许温升δtfa时要考虑管壳最热的一个器件，如果该器件计算允许最高结温tj，功耗为pi，则其管壳的最高温度为
tc=tj－pirthjci (4)
式中，rthjci为该管芯到管壳的热阻。
根据如上所求，带入(3)中，可得到准确的热阻值。
4 散热器的选择
变频器散热器的种类主要分为自制散热器和铝型材散热器。自制散热器使用灵活，安装和结构设计方便，但是设计起来比较困难，尤其是热阻的计算，需要实验测试。对于铝型材散热器，厂家一般给出了实验测得的热阻曲线或者热阻参数表，安装、选用也都很方便。这种散热器在变频器中最为常用。
有效地提高散热效果，可以减小散热器的体积，降低成本，增加开关管的工作可靠性。采取以下措施可以有效地减小热阻，改善散热效率:
(1)自然冷却的铝型材散热器，一般都是有风道方向的，将其竖立放置比水平放置散热效率提高15％;表面氧化发黑处理后，散热效率也能提高15％左右。
(2)功率模块与散热器之间的接触热阻不仅与封装形式有关，还与是否垫绝缘材料和是否涂导热硅胶有很大关系，如表2所示。
表2 各种封装的接触热阻
所以在使用功率模块时，尽量不垫绝缘垫片，并且必须涂硅油。
(3)接触热阻还与安装锁紧力成反比关系，所以在设计安装时，要将功率模块锁紧在散热器上，对于多点锁紧的功率模块，各点要均匀用力，轮流逐渐锁紧，最终各点都锁紧。
(4)根据变频器功耗选择适当的风机。根据经验并考虑适当裕量，每1kw功耗产生的热量，需要风机的排风量为360m3/h，而变频器的功耗为其容量的3～5%，以5%计，可得风机与容量关系为:
风机排量=变频器容量×5%×360
若变频器设计容量为45kw，
风机排量=45×5%×360=810m3/h
据此，选择排风量大于计算值的风机，如排风量为925m3/h，可选型号为w2e200-hk38-01的ebm风机。
5 结束语
根据设计方案，设计的变频器在供水、供暖等行业运行可靠无故障。对于如水泥，煤炭等多粉尘行业，需要有足够的通风，并定期除尘，才能使散热系统发挥正常功能，变频器才能可靠运行，从而也才能为企业带来更多的效益。
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