引言
變頻器屬大功率電力電子設(shè)備，內(nèi)部需配備大量功率半導(dǎo)體器件，工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量。而功率半導(dǎo)體器件屬溫度敏感器件，因結(jié)溫過(guò)高導(dǎo)致功率半導(dǎo)體器件燒毀是變頻器故障中最常見(jiàn)的原因之一。為保證變頻器設(shè)備的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵的一環(huán)。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞，直接影響到變頻器能否長(zhǎng)時(shí)間安全穩(wěn)定的工作。
一、變頻器散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)
變頻器散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括以下三個(gè)方面：
1、依據(jù)負(fù)載計(jì)算功率器件的損耗【1】;
2、功率器件及散熱器的熱阻計(jì)算及建模仿真，求取散熱器與功率器件各點(diǎn)的溫度【1】;
3、根據(jù)各點(diǎn)的溫升以及實(shí)際環(huán)境條件，調(diào)整風(fēng)扇選型、散熱器以及風(fēng)道設(shè)計(jì)，確定最終的散熱系統(tǒng)方案【1】。
(一)損耗的計(jì)算
以IGBT模塊為例，損耗分為開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗。其中開(kāi)關(guān)損耗又分為IGBT芯片的開(kāi)關(guān)損耗和DIODE芯片的反向恢復(fù)損耗，其計(jì)算公式如下：
由上式可知：開(kāi)關(guān)損耗與開(kāi)關(guān)頻率成正比，與輸出電流成正比，與直流電壓成正比。
導(dǎo)通損耗也分為IGBT芯片的導(dǎo)通損耗和DIODE芯片的導(dǎo)通損耗，計(jì)算一般分為：
通過(guò)簡(jiǎn)化可以得到以下公式：
上述參數(shù)也可以通過(guò)線(xiàn)性擬合來(lái)獲知，從而得到實(shí)際電流時(shí)的導(dǎo)通損耗。
在實(shí)際損耗計(jì)算中，還要考慮結(jié)溫影響、過(guò)載損耗、不同工況條件下?lián)p耗等因素。
(二)熱阻的計(jì)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(dá)熱阻時(shí)，需說(shuō)明從某處到某處的熱阻，可以分別表示)
對(duì)于IGBT的熱阻，可以通過(guò)器件手冊(cè)中的數(shù)據(jù)獲悉其結(jié)殼的熱阻Rjc。散熱器的熱阻以強(qiáng)制空氣冷卻用散熱器為例，熱阻經(jīng)驗(yàn)公式為：
式中，k為散熱器熱導(dǎo)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(guān)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(qiáng)迫風(fēng)冷條件下散熱器相對(duì)熱阻系數(shù);C3為空氣換熱系數(shù)。
在設(shè)計(jì)工作中，還應(yīng)考慮導(dǎo)熱硅脂的熱阻和不同風(fēng)扇的風(fēng)量等因素，并通過(guò)實(shí)際測(cè)試結(jié)果與計(jì)算值對(duì)照進(jìn)行建模仿真，求取功率器件和散熱器各關(guān)鍵點(diǎn)的溫升。
