高压变频器散热与通风的设计

　　3.2 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℃，根据标准要求，额定温差为5℃，因此工作温度不应低于5℃;同时相对湿度≤90%（25℃），相对湿度变化率应≤5%/h。

　　3.3 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。

　　3.4 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，不存在水冷时的凝露问题，以及热管散热器设计的复杂性，在确定合适的通风结构的情况下，一般采用此种方式。采用强制风冷方式需要在结构设计时考虑散热风道。散热风道的设计应在充分考虑单元散热的要求下，应尽量优化。常见的多电平串联方式的高压变频器，从结构上分为功率柜体、变压器柜、控制柜。功率柜风道设计通常有两种方式：串联风道和并联风道。

　　4.1 串联风道

　　串联风道是由每个功率的散热器上下相对，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。其结构如图4所示。

　　图4 功率柜风道结构图

　　4.2 并联风道

　　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，在设计时应加以考虑。

　　4.3 散热风机的选择

　　整个功率部分采用强制风冷的方式，需保证有足够的具有环境温度的空气源源不断地流经散热器的表面，使散热系统达到某种温度值的热平衡。在稳定的平衡状态下，根据公式：p=h×a×△t，在已确定系统耗散功率p、散热器有效表面积a与散热器表面温度与环境温度差值△t的前提下，吸热介质的对流换热系数h可以求出。美国、日本规定风机噪音不得大于65db，所以他们规定的风速为2～4m/s。因此在考虑风机选择时，应保证电力半导体器件风冷散热器3～6m/s的风速，一般即可保证h能达到要求。

　　5 结束语

　　目前高压变频器多采用强制风冷方式，但由于水冷方式和热管散热有体积小、效率高、没有污染等优点，应更新设计理念，大力推广。总之，开发和选择新型高效散热技术对高压变频器进行冷却，是提高设备可靠性和缩小设备体积的一个重要措施。