大功率高压变频器功率器件热设计浅析

大型电力电子设备中，随着温度的增加，失效率也增加，因此大功率高压变频器 功率器件的热设计直接关系到设备的可靠性与稳定性。大功率高压变频器往往要求有极高的可靠性，影响电力电子设备失效的主要形式是热失效，据统计，50%以上的电子热失效主要是由于温度超过额定值引起的。从结构设计上来说散热技术是保证设备正常运行的关键环节。由于三环公司高压变频器设备功率大，一般为MW级，在正常工作时，会产生大量的热量。为保证设备的正常工作，把大量的热量散发出去，优化散热与通风方案，进行合理的设计与计算，实现设备的高效散热，对于提高设备的可靠性是十分必要的。

散热计算

高压变频器在正常工作时，热量来源主要是隔离变压器、电抗器、功率单元、控制系统等，其中作为主电路电子开关的功率器件的散热、功率单元的散热设计及功率柜的散热与通风设计最为重要。对igbt或igct功率器件来说，其pn结不得超过125℃，封装外壳为85℃。有研究表明，元器件温度波动超过±20℃，其失效率会增大8倍。

散热设计注意事项

(1) 选用耐热性和热稳定性好的元器件和材料，以提高其允许的工作温度;

(2) 减小设备(器件)内部的发热量。为此，应多选用微功耗器件，如低耗损型igbt，并在电路设计中尽量减少发热元器件的数量，同时要优化器件的开关频率以减少发热量;

(3) 采用适当的散热方式与用适当的冷却方法，降低环境温度，加快散热速度。

排风量计算

在最恶劣环境温度情况下，计算散热器最高温度达到需求时候的最小风速。根据风速按照冗余放大率来确定排风量。排风量的计算公式为：Qf=Q/(Cp?ρ?△T)

式中：

Qf：强迫风冷系统所须提供的风量。

Q：被冷却设备的总热功耗,W。

Cp=1005J/(kg?℃)：空气比热，J/(kg?℃)。

ρ=1.11(m3/kg)：空气密度，m2/kg。

△T=10℃：进、出口处空气的温差，℃。

根据风量和风压确定风机型号，使得风机工作在效率最高点处，即增加了风机寿命又提高了设备的通风效率。

风道设计

串联风道是由每个功率模块的散热器上下相对，形成上下对应的风道，其特点由上下多个功率单元形成串联的通路，结构简单，风道垂直使得风阻小;但由于空气从下到上存在依次加热的问题，造成上面的功率单元环境温差小，散热效果差。

并联风道中从每个功率单元的前面进风，对应的进风口并联排列，在后面的风仓中汇总后由风机抽出，同时整个功率柜一般采用冗余的方法，有多个风机并联运行，整体散热效果好，并提高了设备的可靠性。但柜体后面要形成风仓，增大了设备的体积，同时由于各个功率单元后端到风机的距离不同，使得每个功率单元的风流量不一致，是设计的难点。

根据串联风道和并联风道的特点，三环公司高压变频器选择并联风道设计，并形成了独有的结构专利技术。

仿真分析

利用仿真软件可以在以上各种不同结构及层次上对系统散热、温度场及内部流体运动状态进行高效、准确、简便的定量分析。根据仿真结果，对散热结构进行评估、修改，然后再次仿真，直到得到满足要求的结果。通过这种方式，我们对热失效进行了很好控制，从而大大提高了设备的可靠性和稳定性。