SVG功率器件散热结构设计
功率器件热设计及散热计算
功率器件热设计及散热计算2007-03-29 00:18功率器件热设计及散热计算摘要：本文介绍了功率器件的热性能参数，并根据实际工作经验，阐述了功率器件的热设计方法和散热器的合理选择。
关键词：热设计；功率器件；散热计算；散热器选择引言当前，电子设备的主要失效形式就是热失效。
据统计，电子设备的失效有55％是温度超过规定值引起的，随着温度的增加，电子设备的失效率呈指数增长。
所以，功率器件热设计是电子设备结构设计中不可忽略的一个环节，直接决定了产品的成功与否，良好的热设计是保证设备运行稳定可靠的基础。
功率器件热性能的主要参数功率器件受到的热应力可来自器件内部，也可来自器件外部。
若器件的散热能力有限，则功率的耗散就会造成器件内部芯片有源区温度上升及结温升高，使得器件可靠性降低，无法安全工作。
表征功率器件热能力的参数主要有结温和热阻。
器件的有源区可以是结型器件(如晶体管)的PN结区、场效应器件的沟道区，也可以是集成电路的扩散电阻或薄膜电阻等。
当结温Tj高于周围环境温度Ta时，热量通过温差形成扩散热流，由芯片通过管壳向外散发，散发出的热量随着温差(Tj-Ta)的增大而增大。
为了保证器件能够长期正常工作，必须规定一个最高允许结温 Tj max。
Tj max的大小是根据器件的芯片材料、封装材料和可靠性要求确定的。
功率器件的散热能力通常用热阻表征，记为Rt，热阻越大，则散热能力越差。
热阻又分为内热阻和外热阻：内热阻是器件自身固有的热阻，与管芯、外壳材料的导热率、厚度和截面积以及加工工艺等有关；外热阻则与管壳封装的形式有关。
一般来说，管壳面积越大，则外热阻越小。
金属管壳的外热阻明显低于塑封管壳的外热阻。
当功率器件的功率耗散达到一定程度时，器件的结温升高，系统的可靠性降低，为了提高可靠性，应进行功率器件的热设计。
功率器件热设计功率器件热设计主要是防止器件出现过热或温度交变引起的热失效，可分为器件内部芯片的热设计、封装的热设计和管壳的热设计以及功率器件实际使用中的热设计。
SVG功率柜的结构设计
SVG功率柜的结构设计摘要：随着国家的社会经济发展水平不断提高，电力服务需求日益多样化，对电子能源、供电系统主要设备的要求也在不断增加。
根据使用需求进行主要设备设计的无功功率要求，SVG功率柜则能够对电网系统进行使用升级。
作为一个有效的功率补偿机制，SVG可以有效地解决动态喷气功率问题，大大提高动力系统的稳定性和确保其运行安全。
本文对SVG功率柜的工作原理、主要特点及优势、结构设计等进行了重点分析，以便使有关从业者能够更为熟悉这些结构，从而在工作中能够有效利用SVG功率柜来稳定电网建设。
关键词：SVG功率柜；结构；设计SVG作为最先进的电力补偿装置之一，可以在过电压时有效地降低电压，减少电压爆发和电流不平衡问题，而且，在中国等一些国家，目前有1.5%的人在从事电网相关行业，SVG功率柜是良好的电路管控技术一、SVG工作原理SVG（静态喷气动力发生器，也称为静态同步补偿器）的主要工作原理是通过与电网进行自动结合的并联电路，能够利用反应堆基础来在电路连接后经桥路交流基础，来对输出电压进行有效控制。
SVG功率柜设计时需要确保能够对交流电的横向电流进行适当调节，有效满足电路中的喷气流需求，并满足静态或动态补偿的需要。
二、ＳＶＧ功率柜的结构设计1.ＳＶＧ功率柜基础结构设计SVG电力柜的主要结构包括柜体结构和进气道内部组装，再加上安装功率模块的组装。
除此以外，考虑到我们电网建设的供电系统需要在电力波动时有及时补偿，在基础设施设计领域，可以进行以下设计：模块化安装组件可以按照箱层结构设计，在机身内部均匀分布，保证相对对称。
通风管道组装应在完成后设计安装，先将模块组装好，再安装模块；除了主通风板和通风井，重点应放在主通风板上的燃料元件设计上；在燃料元件的功率模块中，各燃料元件的安装应符合本项目设计标准；用于空隙结构的通风隧道可确保燃料元件的有效运行，并完成总结构的有效冷却；为保证整体传热效果，应当将散热结构设计的更加合理有效，从而充分满足电力系统的负荷补偿的要求。
电热器件中的散热结构设计与优化
电热器件中的散热结构设计与优化随着科学技术的不断发展，电热器件在各个领域中的应用越来越广泛。
然而，随之而来的问题是电热器件在工作过程中会产生大量的热量，如果不能正确地进行散热，会导致电子元件温度升高，从而影响设备的性能和寿命。
因此，电热器件中的散热结构设计与优化成为解决这一问题的重要方向。
首先，对于电热器件的散热结构设计，需要考虑散热结构的形式和材料的选择。
散热结构的形式可以包括散热片、散热管、散热风扇等。
散热片是最常见的散热结构之一，其通过增大散热表面积来提高散热效果。
而散热管是一种通过导热原理将热量从热源传导到散热片上的装置，可以用于长距离传导热量的场景。
散热风扇则通过循环空气，加速热量的传递和散发，是一种常用的主动散热方式。
其次，材料的选择也是影响散热效果的重要因素。
散热结构通常选择具有良好热导性的材料，如铝合金、铜等。
这些材料具有优异的导热性能，可以快速将热量从热源传递到散热结构上，提高散热效果。
此外，散热材料的表面也应具有较大的散热表面积，以增加热量的散发面积，进一步提高散热效率。
在散热结构的优化过程中，需要考虑的因素还包括结构的尺寸、散热面积和热阻等。
首先，结构的尺寸应该与电热器件的尺寸相匹配，既要保证散热结构能够完全覆盖热源，又要尽量减小结构的体积，以满足电热器件的紧凑设计。
其次，散热面积应尽可能地增大，可以通过增加散热片的数量或增加散热管的长度来实现。
较大的散热面积可以提高热量的散发效率，从而降低瞬时温度升高的风险。
最后，热阻也是需要进行优化的因素之一。
通过选择合适的材料和设计散热结构，可以减小热阻，提高热量的传导速度，从而达到更好的散热效果。
另外，为了进一步提高电热器件的散热性能，可以考虑采用辅助散热手段，如风冷、水冷等。
风冷是利用风扇来增加空气流动，加速热量的散热；水冷则是通过水冷板将热量传递到水冷系统中，实现低温冷却。
这些辅助散热手段可以有效地降低器件温度，提高设备的稳定性和可靠性。
基于变频器的SVG散热风机节能设计
风 机 的 功 率 损 耗 问 题 也 凸 显 ３ ８ ０ Ｖ Ｑ Ｆ 为 总 进 线 开 关
１
分 为 两 接 线 方 式 如 图
，
２
所示
：
Ｒ
、
Ｓ、
Ｔ
为
因 此 加 装 有 效 的 节 能 设 备十 分 路 出 线 如 图
所示
１
。
第
（
一
路 为 暖 风 电 源 的 输 入 端
）
、
来 自 于供 电 回 路 的
节 能与 新 能源
Ｅ Ｎ Ｅ ＲＧＹ Ｓ ＡＶ Ｉ Ｎ Ｇ Ａ Ｎ Ｄ Ｎ ＥＷ Ｅ Ｎ Ｅ ＲＧ Ｙ
基 于 变频器 的
Ｓ ＶＧ Ｃ ｏ ｏ
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ＳＶＧ
－
散 热风 机 节 能 设 计
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一种双散热器结构的SVG功率模块[实用新型专利]
![一种双散热器结构的SVG功率模块[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/175f57adb307e87100f69662.png)
专利名称：一种双散热器结构的SVG功率模块专利类型：实用新型专利
发明人：黎林,李迪艺,谭永东,傅亮招
申请号：CN201220475110.X
申请日：20120915
公开号：CN202840975U
公开日：
20130327
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型公开了一种双散热器结构的SVG功率模块，包括有壳体（1），在壳体（1）内设有安装架（9）和散热通道（2），在壳体（1）内设有一组电解电容（6），在安装架（9）上设有竖直摆放且对称的两个热管散热器（3），所述两个热管散热器（3）的散热片均设在散热通道（2）中，在所述两个热管散热器（3）上均固定有绝缘栅双极晶体管（7），所述电解电容（6）同时与两个绝缘栅双极晶体管（7）电连接，在所述绝缘栅双极晶体管（7）上均连接有伸出壳体（1）外的输出铜排（4），在壳体（1）内还设有均压电阻（5）和驱动板光纤接口（8）。
申请人：广东明阳龙源电力电子有限公司
地址：528400 广东省中山市火炬开发区火炬路22号明阳龙源电力电子有限公司
国籍：CN
代理机构：中山市科创专利代理有限公司
代理人：徐其洲
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svg热损耗计算及散热设计
ＤＯＩ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.２０９５－５０９Ｘ.２０１９.１２.０１７ＳＶＧ热损耗计算及散热设计张中胜ꎬ于海波ꎬ盛晓东ꎬ刘国伟(南京南瑞继保工程技术有限公司ꎬ江苏南京㊀２１１１０２)摘要:可靠的散热设计是ＳＶＧ产品长期稳定运行的关键ꎬ在详细分析ＩＧＢＴ模块热功耗构成的基础上ꎬ通过ＩＣＥＰＡＫ热仿真软件对某ＳＶＧ产品的整机热设计进行全面优化ꎬ最终实现温升低于３７Ｋ㊁保证ＳＶＧ产品长期稳定运行的控制目标ꎬ并结合实验测试验证了设计数据ꎮ关键词:ＳＶＧꎻ热损耗计算ꎻ离心风机ꎻＩＣＥＰＡＫꎻ风冷散热器中图分类号:ＴＭ７６２㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:２０９５－５０９Ｘ(２０１９)１２－００７６－０４㊀㊀静止无功发生器(ｓｔａｔｉｃｖａｒｇｅｎｅｒａｔｏｒꎬＳＶＧ)依靠大功率电力电子器件的高频开关实现无功能量的变换ꎮ基本原理是将自换相桥式拓扑电路通过电抗器直接并联在电网上ꎬ通过调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值或者直接控制其交流侧电流相位或幅值ꎬ实现动态无功补偿的目的ꎮＳＶＧ系统工作时ꎬ功率器件在开通㊁关断过程中会产生大量的功率损耗ꎬ产生的损耗会以热量的形式耗散出来[１]ꎬ因此能否保证ＳＶＧ系统可靠散热ꎬ对ＳＶＧ系统运行寿命至关重要ꎮ本文以某ＳＶＧ系统为例ꎬ对产品的散热设计进行了较为详细的阐述ꎮ１㊀ＳＶＧ系统介绍无功补偿技术发展历程是一个不断创新㊁发展㊁完善的过程ꎬ如图１所示ꎮ其经历了固定补偿㊁以调压调容(ＶＣＱＶ/ＴＳＣ)的方式进行无功补偿㊁动态无功补偿等阶段ꎮ图１㊀无功补偿技术发展历程图㊀㊀ＳＶＧ系统装置可提供连续快速可调的感性和容性无功ꎬ装置无级动态补偿调节范围大ꎬ响应速度快[２]ꎬ整机响应时间<５ｍｓꎮ同时控制灵活ꎬ可单独补偿电压㊁无功㊁功率因数ꎬ各种模式可无缝切换ꎮＳＶＧ系统完全能满足电网无功补偿及谐波治理的要求ꎬ是目前最先进的无功补偿技术之一ꎮ２㊀功率模块功耗计算在ＳＶＧ系统中ꎬＩＧＢＴ模块是控制整个系统关断㊁整流逆变的核心器件ꎬＳＶＧ系统运行时ＩＧＢＴ模块会产生大量的热量ꎬ是ＳＶＧ系统损耗的主要来源ꎮＩＧＢＴ模块损耗包括通态损耗和开关损耗ꎬ将ＩＧＢＴ的输出特性曲线运用线性化思想近似为一条直线ꎬ由于开关过程分为开通㊁关断和恢复３个时刻[３]ꎬ因此相应地将ＩＧＢＴ模块的总损耗分为４部分ꎬ即通态损耗㊁开通损耗㊁关断损耗和恢复损耗ꎮ本文所述ＳＶＧ系统的工作参数见表１ꎮ表１㊀ＳＶＧ系统工作参数参数数值额定集电极电流ＩＣＮ/Ａ６５０ＳＶＧ额定电流ＩＣＱ/Ａ４６２额定压降ＶＣＥＮ/Ｖ１.６额定的开通时间ｔｒＮ/μｓ０.１２额定关断时间ｔｆＮ/μｓ０.５７反向恢复时的额定峰值电流ＩｒｒＮ/Ａ６５３续流二极管反向恢复时间ｔｒｒＮ/μｓ０.５０ＩＧＢＴ开启电压ＶＣＥ０/Ｖ１.０续流二极管门槛电压ＶＦ０/Ｖ１.０集电极峰值电流ＩＣＭ/Ａ６５３集电极电压Ｖｃｃ/Ｖ１０００开关频率ｆｓ/Ｈｚ４５０㊀㊀把各个参数数值代入损耗计算公式ꎬ得到ＩＧ￣ＢＴ模块各部分损耗值如下ꎮ收稿日期:２０１８－０６－２９作者简介:张中胜(１９８５ )ꎬ男ꎬ工程师ꎬ硕士ꎬ主要从事电力系统一次设备的结构设计工作ꎬｚｈａｎｇｚｓ＠ｎａｒｉ－ｒｅｌａｙｓ.ｃｏｍ.６７ ２０１９年１２月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀机械设计与制造工程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Ｄｅｃ.２０１９第４８卷第１２期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀ＭａｃｈｉｎｅＤｅｓｉｇｎａｎｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Ｖｏｌ.４８Ｎｏ.１２㊀㊀１)通态损耗Ｐｆｗ/ＶꎮＰｆｗ/Ｖ＝１２πʏπ０νＣＥｉＣδｄα＝１２πʏπ０(ＶＣＥ０＋ｒＣＥｓｉｎα)ˑ(ＩＣＭｓｉｎα)ˑ{１２[１＋Ｍｓｉｎ(α＋θ)]}ｄα＝(１８＋Ｍｃｏｓθ３π)ＶＣＥＮ－ＶＣＥＯＩＣＮＩ２ＣＭ＋(１２π＋Ｍｃｏｓθ８)ˑＶＣＥ０ＩＣＭ＝２３２Ｗ式中:νＣＥ为ＩＧＢＴ的通态电压ꎻδ为占空比ꎻｉＣ为集电极电流ꎻｒＣＥ为通态电阻ꎻＭ为调制度ꎻθ为电压和电流之间的相角ꎻα为调制角度ꎮ２)开通损耗ＰｏｎꎮＰｏｎ＝１８ＶｃｃｔｒＮＩ２ＣＭＩＣＮｆｓ＝４.５Ｗ３)关断损耗ＰｏｆｆꎮＰｏｆｆ＝ＶｃｃＩＣＭｔｆＮｆｓ(１３π＋１２４ＩＣＭＩＣＮ)＝２５Ｗ４)恢复损耗Ｐｒｒꎮ开通ＩＧＢＴ时其集电极电流达到ｉＣ后会继续上升ꎬ一直达到峰值后再下降到ｉＣꎬ因此会出现一段超调量ꎮＰｒｒ＝ｆｓＥｏｆｆ＝ｆｓＶｃｃ{[０.２８＋０.３８ＩＣＭπＩＣＮ＋０.０１５ˑ(ＩＣＭＩＣＮ)２]ˑＩｒｒＮｔｒｒＮ２＋(０.８π＋０.０５ＩＣＭＩＣＮ)ＩＣＭｔｒｒＮ}＝７５Ｗ式中:Ｅｏｆｆ为功率谱密度ꎮ综上ꎬ１个ＩＧＢＴ模块由４个ＩＧＢＴ器件(注:本文所述的１个ＩＧＢＴ模块封装中含有２个ＩＧＢＴ器件)和１个电阻组成ꎬ电阻损耗值为１００Ｗꎬ所以单模组总的热损耗ＰＩＧＢＴ为:ＰＩＧＢＴ＝２ˑ２ˑ(Ｐｆｗ/Ｖ＋Ｐｏｎ＋Ｐｏｆｆ＋Ｐｒｒ)＋１００＝１４４６Ｗ３㊀散热仿真计算３.１㊀冷却方式选择对于ＳＶＧ等大功率大损耗系统ꎬ自然冷却是无法满足设计需求的ꎮ常规的强迫冷却方式主要有风冷㊁水冷和油冷ꎮ鉴于水冷和油冷成本高ꎬ维护工作量大等原因ꎬ本文采用强迫风冷[４]进行系统冷却ꎮＳＶＧ功率单元在柜体内呈阵列放置ꎬ为保证功率单元的风量均匀性ꎬ选用离心风机进行抽风冷却ꎮ３.２㊀结构描述图２为ＳＶＧ散热器热源分布图ꎬ其中２个ＩＧ￣ＢＴ模块和１个电阻安装在散热器上组成散热器组件ꎮ散热器组件和电容㊁控制板卡等共同组成ＳＶＧ功率单元ꎬ如图３所示ꎮ６个功率单元分３层放置于１个功率柜体内ꎬ功率柜后侧安装１个离心风机ꎬＳＶＧ功率柜结构如图４所示ꎮ图２㊀ＳＶＧ散热器热源分布图㊀图３㊀ＳＶＧ功率单元结构３.３㊀热仿真计算模型搭建根据２中计算的损耗结果ꎬ结合ＩＧＢＴ模块和电阻尺寸ꎬ散热器尺寸选定为２６０ｍｍˑ３８０ｍｍˑ１００ｍｍꎬ材质选用常规的６０６１ꎬ单齿厚度１.５ｍｍꎬ相邻齿中心距为４ｍｍꎮ根据允许温升和理论计算的功率损耗ꎬ本散热器的热阻为:热阻＝温升损耗＝３７１４４６＝０.０２６Ｋ/Ｗ在ＩＣＥＰＡＫ软件中建立散热器组件模型和功率柜模型[５]ꎬ如图５和图６所示ꎮ㊀图４㊀ＳＶＧ功率柜结构㊀㊀㊀图５㊀ＩＣＥＰＡＫ软件中散㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀热器组件模型图６㊀ＩＣＥＰＡＫ软件中ＳＶＧ功率柜模型７７ ２０１９年第１２期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀张中胜:ＳＶＧ热损耗计算及散热设计３.４㊀风机选型影响散热器性能的主要因素有散热器体积㊁热源位置㊁热源热密度以及风量ꎮ其中ꎬ风量与风机性能直接相关ꎮ风机选型和散热器的设计往往是相互依赖㊁相互调整㊁相互仿真适配的过程ꎮ柜体风道路径复杂ꎬ功率单元数量多ꎬ对风量要求高ꎬ对不同散热器的风冷均匀性要求较高ꎮ综合以上几点ꎬ离心风机更适合ＳＶＧ类产品ꎮ经过对ＥＢＭ厂家离心风机规格参数的研究ꎬ选择Ｒ３Ｇ－４００－ＡＱ２３型号风机ꎬ风量风压曲线如图７所示ꎮ图７㊀Ｒ３Ｇ－４００－ＡＱ２３风量风压曲线㊀㊀通过ＩＣＥＰＡＫ仿真模型计算ꎬ可以得到各个功率单元风量分布ꎬ如图８所示ꎮ图８㊀各功率单元风量分布图㊀㊀风量计算结果表明ꎬ单个散热器的风量最小为３５０ＣＦＭꎬ环境温度设定为４０ħꎬ利用此边界条件计算单个散热器的温升ꎬ散热器仿真计算结果温度分布如图９所示ꎮ㊀㊀由图可知ꎬＲ３Ｇ－４００－ＡＱ２３风机下散热器的最高温度为７５.８ħꎬ满足设计需求ꎮ图９㊀散热器仿真计算结果温度分布云图４㊀试验为了验证仿真结果的可靠性ꎬ本文对所设计散热器进行试验验证.试验分两步:第一步ꎬ测试单个散热器散热能力ꎻ第二步ꎬ进行工程现场测量ꎬ即在ＳＶＧ满功率运行状态下测试散热器散热能力ꎮ通过和仿真计算值进行对比ꎬ验证热设计的正确性ꎮ４.１㊀散热器试验在单个散热器实验测量中ꎬ使用可加热铜块代替ＩＧＢＴ模块ꎬ铜块外形尺寸和ＩＧＢＴ尺寸相同ꎬ紧固螺钉也相同ꎮ每个可加热铜块通过单独的直流源装置控制功耗ꎬ风量定为３５０ＣＦＭꎮ在散热器上特定的点布置两个热电耦ꎬ进行温度值测试采集ꎮ待系统稳定后(各测点温度值的变化稳定在１ħ范围内)ꎬ进行测量读数ꎮ测试时环境温度为２４ħꎬ试验针对监测点仿真温升与实测温升进行对比ꎬ相关结果见表２ꎮ表２㊀仿真温升与实测温升对比表实测温升/ħ仿真温升/ħ误差/ħ监测点１３３.０３５.１２.１监测点２３４.６３５.８１.２㊀㊀由表２可知ꎬ实测温升与仿真温升的误差在３ħ以内ꎬ即误差在允许范围内ꎬ说明仿真数据是可靠的ꎮ４.２㊀实机满功率试验为进一步验证仿真的可靠性ꎬ选择在工程现场进行测试ꎮ需要指出的是ꎬ产品测温设备采用常规的ＰＴ１００设备ꎬ如图１０所示ꎮ由于其有一定的体积且需要与功率单元其他零件接线ꎬ因此ＰＴ１００设备并不能放置到ＩＧＢＴ的正下方ꎬ选择将ＰＴ１００放置于两个ＩＧＢＴ中间仿真温度最高的地方ꎮ新疆地区某ＳＶＧ工程现场温度监控结果如图１１所示ꎮ８７２０１９年第４８卷㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀机械设计与制造工程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀图１０㊀ＰＴ１００设备㊀㊀图１１㊀新疆地区某ＳＶＧ工程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀现场温度监控图㊀㊀采集时间为２０１６年１２月２４日凌晨３点ꎬ环境温度为－２ħꎮ仿真温升与系统实测温升对比结果见表３ꎮ表３㊀仿真温升与系统实测温升对比表ＳＶＧＡ相功率单元实测温度/ħ温升/ħ仿真温升/ħ仿真与实测差值/ħ功率单元１２８３０３１.９１.９功率单元２２７２９３１.２２.２功率单元３２７２９３２.０３.０功率单元４２７２９３１.５２.５功率单元５２７２９３１.１２.１功率单元６２７２９３１.０２.０平均值２７.２２９.２３２.１２.９㊀㊀从表３可以看出ꎬ仿真温升和实测温升误差在３ħ以内ꎮ考虑到热电耦的传递损耗热阻等因素ꎬ可以认为针对ＩＧＢＴ损耗的热设计是可靠㊁准确的ꎮ５㊀结论本文通过功耗计算㊁热仿真㊁试验测试等工作ꎬ完成了整个ＳＶＧ产品的热设计ꎬ计算结果表明:１)推导计算出的ＩＧＢＴ器件损耗是正确的ꎮ２)仿真计算数据与实测数据的误差在ʃ１０％范围内ꎬ仿真计算的结果可以有效指导散热器的设计ꎬ提升产品研发效率ꎮ３)所设计的散热器可有效控制ＩＧＢＴ模块的温升ꎬ满足ＳＶＧ散热设计的目标ꎮ参考文献:[１]㊀张明元ꎬ沈建清ꎬ李卫超ꎬ等.一种快速ＩＧＢＴ损耗计算方法[Ｊ].船电技术ꎬ２００９ꎬ２９(１):３３－３６.[２]㊀李超ꎬ崔大明ꎬ侯庆雷.关于电力系统动态无功功率优化调度的探讨[Ｊ].科技传播ꎬ２０１５(１８):４６ꎬ５６.[３]㊀杜毅ꎬ廖美英.逆变器中ＩＧＢＴ模块的损耗计算及其散热系统设计[Ｊ].电气传动自动化ꎬ２０１１ꎬ３３(１):４２－４６. [４]㊀郭永生ꎬ王志坚.大功率器件ＩＧＢＴ散热分析[Ｊ].山西电子技术ꎬ２０１０(３):１６－１８.[５]㊀毛志云ꎬ王艳ꎬ姚志国ꎬ等.基于ＩＣＥＰＡＫ的ＳＶＧ功率柜散热系统分析[Ｊ].电气技术ꎬ２０１６(１):７２－８６.ＳＶＧｈｅａｔｌｏｓｓｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎｄｈｅａｔｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎＺｈａｎｇＺｈｏｎｇｓｈｅｎｇꎬＹｕＨａｉｂｏꎬＳｈｅｎｇＸｉａｏｄｏｎｇꎬＬｉｕＧｕｏｗｅｉ(ＮａｎｊｉｎｇＮＲＪｉｂａｏＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＪｉａｎｇｓｕＮａｎｊｉｎｇꎬ２１１１０２ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅｈｅａｔｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｉｓａｋｅｙｆａｃｔｏｒｗｈｉｃｈａｆｆｅｃｔｓｔｈｅｌｏｎｇ￣ｔｅｒｍｒｅｌｉａｂｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆＳＶＧｐｒｏｄ￣ｕｃｔｓ.ＯｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆａｎａｌｙｓｉｓｆｏｒｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｐｏｗｅｒｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｏｆＩＧＢＴｍｏｄｕｌｅｓꎬｉｔｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｙｏｐｔｉｍｉｚｅｓｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｄｅｓｉｇｎｏｆａＳＶＧｐｒｏｄｕｃｔｗｉｔｈＩＣＥＰＡＫｓｏｆｔｗａｒｅꎬｒｅａｌｉｚｅｓｔｈａｔｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｉｓｅｉｓｌｏｗｅｒｔｈａｎ３７Ｋ.Ｔｈｉｓｅｎｓｕｒｅｓｔｈｅｌｏｎｇ￣ｔｅｒｍｓｔａｂｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆＳＶＧｐｒｏｄｕｃｔｓ.Ｔｈｅｐａｐｅｒｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｔｅｓｔｓｖｅｒｉｆｙｔｈｅａｂｏｖｅｄｅｓｉｇｎｄａｔａ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ＳＶＧꎻｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｒｍａｌｌｏｓｓꎻｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌｆａｎꎻＩＣＥＰＡＫꎻａｉｒｃｏｏｌｅｄｒａｄｉａｔｏｒ９７２０１９年第１２期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀张中胜:ＳＶＧ热损耗计算及散热设计。
功率器件热设计及散热计算
功率器件热设计及散热计算功率器件热设计及散热计算是在设计和选择功率器件时必须考虑的重要因素之一、功率器件通常会产生大量的热量，而不恰当的热设计会导致器件过热甚至损坏。
因此，在设计和选择功率器件时，必须充分考虑到其热特性，进行适当的散热计算和热设计。
首先，在进行功率器件的热设计和散热计算之前，需要了解功率器件的热特性参数，其中包括功率器件的最大功率耗散、热阻和最高工作温度等。
这些参数可以从器件的规格书中获取，或者进行实际测试得到。
接下来，需要确定散热器的散热性能。
散热器通常采用铝制散热片或铜制散热片，并通过散热鳍片和风扇等方式进行散热。
散热片的材料和尺寸会直接影响其散热性能，因此在进行散热计算时，需要充分考虑散热片的选择和设计。
在进行散热计算时，首先需要计算功率器件的热功率耗散。
热功率耗散等于功率器件的工作电流乘以其耗散功率。
然后，根据功率器件的热阻和散热器的热阻，计算器件的温升。
热阻可以通过以下公式计算：热阻=(最高工作温度-环境温度)/热功率耗散其中，最高工作温度是功率器件能够承受的最高温度，环境温度是功率器件周围的温度。
根据计算得到的温升，可以判断功率器件的工作温度是否在安全范围内。
通常情况下，功率器件的最大工作温度应该小于其能够承受的最高温度。
如果工作温度超过了最高温度，就说明散热设计存在问题，需要进行改进。
在进行散热设计时，还需要考虑到空气流通和风扇的散热效果。
合理的空气流通和风扇的使用可以显著改善散热效果。
通常情况下，应该确保空气能够顺畅地流过散热器，并且风扇应该具有足够的风量和压力，以确保有效的散热。
综上所述，功率器件的热设计及散热计算是一个复杂而重要的过程。
通过了解功率器件的热特性参数，选择适当的散热器，并进行合理的散热计算，可以有效地防止功率器件过热，并提高其可靠性和寿命。
因此，在进行功率器件的设计和选择时，必须充分考虑到热设计和散热计算。
风电场动态无功补偿装置(svg)散热风机节能降噪系统优化
20 | 电子制作 2020年04月的从动流体机械。
气体压缩与气体输送机械是将旋转的机械能转换为气体压力能及动能，并将气体输送出去的机械。
由流体力学原理可知，风机的风量和电机的转速功率有很大的关联：风机的风量和风机的转速成正比，风机的风压和风机的转速平方成正比，而风机的轴功率等于风量和风压之间的乘积，所以风机的轴功率与风机的转速三次方也成正比。
随着近些年来变频技术不断的完善、发展及进步。
风机的变频调速性能越来越发达，在很大程度上节约了能源，风机变频节能方法所获得的节能效益为各行业的企业带来了不少的经济效益。
1 风机的变频节能原理目前情况下的风机设备大多数是采用异步电动机进行直接驱动的方式来实现风机的节能的，此种方式存在着一定的缺陷，在电机的负载过大的情况下，会影响设备的使用寿命，还会导致机械故障以及电机烧毁。
风机变频调速器是一种新型的节能产品，变速调节用变速来改变风机的性能曲线，进而改变其工作点。
风机变频调速器具有容易操作、控制精度较高、性能较高、不用进行维护等多个优点。
在其他条件没有发生改变的情况，对异步电动机定子端输入电源频率改变进而改变电动机的转速是风机变频调速技术的基本的工作原理。
电机转速和工作电源输入频率成正比的关系： 60(1-)f S n p×=式中n—异步电动机的转速； f—异步电动机的频率； s—电动机转差率； p—电动机极对数。
从上式可知，转速n 与频率f 成正比，只要改变频率f机电源频率实现速度调节的。
图1风量、压力、转速、转矩之间的关系：Q=C 1×nP=Q×p/(eff c ×eff b )×103P=C 2×T= C 3×n 3P=T×n= C 4×n 3其中：Q:风量；p:压力；eff c ：风机的效率；eff b ：传动装置的效率；n:转速；T:转矩；P:轴功率。
2 我公司动态无功补偿装置散热风机运行现状根据云南省调度控制中心《两个细则实施办法》规定要求，风电场动态无功补偿装置（SVG）在发电设备并网运行时，必须按照调度指令正常投入运行，不得私自退出运行。
安装于集装箱中的SVG散热系统分析与改进
安装于集装箱中的SVG散热系统分析与改进殷炯;师蒙招;王玉斌;孙林;张祥【摘要】根据柜体的结构布置和功率模块的损耗，对安装在集装箱中的10KV/5MW的SVG散热系统进行了分析。
利用ICEPAK分析软件对SVG柜体的通风散热过程进行了模拟仿真分析。
结果表明，原散热系统方案不能满足 SVG 运行的需要。
根据存在的问题，提出了更换风机型号和改进风道等改进措施，以满足SVG的散热要求。
%According to SVG cabinet structure layout and power modules losses on SVG, thethermal systemof 10KV/5MW SVG installed in the container is studied. Theheat dissipation process of SVG cabinet is simulated by using finite elementanalysis software ICEPAK, and the simulation results show that the thermal system cannot meet the requirement of heat dissipation. According, which can the existing problems, some improved measures like modifying the blowers model and improving the air duct are proposed to meet the requirement of heat dissipation.【期刊名称】《机电设备》【年(卷),期】2014(000)004【总页数】5页(P46-50)【关键词】SVG;散热系统;有限元仿真【作者】殷炯;师蒙招;王玉斌;孙林;张祥【作者单位】株洲南车时代电气股份有限公司，湖南株洲412001;株洲南车时代电气股份有限公司，湖南株洲412001;株洲南车时代电气股份有限公司，湖南株洲412001;株洲南车时代电气股份有限公司，湖南株洲412001;株洲南车时代电气股份有限公司，湖南株洲412001【正文语种】中文【中图分类】TM46SVG(Static Var Generator )静止无功发生器是当今无功补偿领域的新技术应用的代表，属于灵活柔性交流输电系统(FACTS)的重要组成部分。
功率器件散热设计方法
开关电源的几种热设计方法分享开关电源已普遍运用在当前的各类电子设备上，其单位功率密度也在不断地提高。
但它们工作时会产生大量的热量，如果不能把这些热量及时地排出并使之处于一个合理的水平将会影响开关电源的正常工作，严重时会损坏开关电源，本文就针对提高开关电源工作的可靠性，分享几种在开关电源设计中热设计的方法。
为了将发热器件的热量尽快地发散出去，一般从以下几个方面进行考虑:使用散热器、冷却风扇、金属pcb、散热膏等。
在实际设计中要针对客户的要求及最佳费/效比合理地将上述几种方法综合运用到电源的设计中。
由于半导体器件所产生的热量在开关电源中占主导地位，其热量主要来源于半导体器件的开通、关断及导通损耗，从电路拓扑方式上来讲，采用零开关变换拓扑方式产生谐振使电路中的电压或电流在过零时开通或关断可最大限度地减少开关损耗但也无法彻底消除开关管的损耗故利用散热器是常用及主要的方法。
散热器是开关电源的重要部件，它的散热效率高与低关系到开关电源的工作性能，散热器通常采用铜或铝，虽然铜的热导率比铝高2倍但其价格比铝高得多，故目前采用铝材料的情况较为普遍，通常来讲散热器的表面积越大散热效果越好，散热器的热阻模型及等效电路如图1所示。
半导体结温公式如下式所示：pcmax(ta)=(tjmax-ta)/θj-a(w)-----------------------(1)pcmax(tc)=(tjmax-tc)/θj-c(w)-----------------------(2)pc:功率管工作时损耗pc(max):功率管的额定最大损耗tj:功率管节温tjmax:功率管最大容许节温ta:环境温度tc:预定的工作环境温度θs:绝缘垫热阻抗θc:接触热阻抗(半导体和散热器的接触部分)θf:散热器的热阻抗(散热器与空气)θi:内部热阻抗(pn结接合部与外壳封装)θb:外部热阻抗(外壳封装与空气)根据图2热阻等效回路，全热阻可写为:θj-a=θi+[θb*(θs+θc+θf)]/(θb+θs+θc+θf)----------------(3)又因为θb比θs+θc+θf大很多，故可近似为θj-a=θi+θs+θc+θf---------------------(4)（1）pn结与外部封装间的热阻抗(又叫内部热阻抗)θi是由半导体pn结构造、所用材料、外部封装内的填充物直接相关.每种半导体都有自身固有的热阻抗.（2）接触热阻抗θc是由半导体、封装形式和散热器的接触面状态所决定.接触面的平坦度、粗糙度、接触面积、安装方式都会对它产生影响。
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SVG功率器件散热结构设计
摘要：随着现代电力电子设备等非线性负荷大量接入电网，使电网供电质量受到严重影响。
其中，各种电力电子开关器件的大量应用和负载的频繁波动是最主要的干扰源，导致了一系列不良影响。
无功功率的存在，使得电力输电系统和重工业应用领域面临着各种各样的问题和挑战。
电力输配电面临电压波动、低功率因数以及电压失稳等问题；重工业应用，特别是快速、冲击性负载，可能导致供电网的电压不平衡、电压波动和闪变等问题。
关键词：散热结构设计SVG
Abstract: with the modern power electronic equipment nonlinear load power grid of access, make the power supply quality have been affected. Among them, the of all kinds of power electronic switching device application and load of the frequent volatility is the most main interference sources, led to a series of adverse effects. Reactive power and allows for the existence of electric power transmission system and heavy industry application fields faced all kinds of problems and challenges. Electricity transmission and distribution face voltage fluctuation, low power factor and the voltage stability; Heavy industry application, especially fast, impact load, can lead to GongDianWang voltage unbalance, voltage fluctuations and flicker.
Keywords: heat dissipation structure design SVG
引言：
SVG是当今最先进的无功补偿装置，能对动态无功负荷的功率因数校正；改善电压调整；提高电力系统的静态和动态稳定性，阻尼功率振荡；降低过电压；减少电压闪烁；减少电压和电流的不平衡。
SVG装置作为电力电子综合应用的大型设备，拥有复杂的电气、电子、控制系统，同时其结构设计的质量直接影响设备性能的好坏。
大功率、小型化、轻型化是未来SVG的发展方向。
在拓扑结构相似的情况下，产品结构设计将成为SVG生产商提高竞争力的主要因素。
国内厂商在结构设计方面的研究与在电力电子应用、控制策略、主电路拓扑结构等方面的研究，相比之下，前者比后者相对滞后。
虽然各厂家也致力于产品的结构优化设计，但未引起足够重视，缺乏相关的理论研究。
针对这种现状，论文着重介绍了SVG功率器件的散热结构设计的常规思路和案例介绍。
论文以SVG结构设计案例为主线，首先介绍了SVG的一次工作原理以及主要器件；
接着对SVG主要发热器件的功率模块部分通过软件进行热分析及损耗的确定；最后对SVG的功率单元部分的散热结构设计步骤和方法进行介绍。
一、SVG工作原理
SVG(静止无功发生器)又称静止同步补偿器（STATCOM/DSTATCOM），SVG 的基本原理就是将自换相的桥式电路通过电抗器并联在电网上，适当的调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。
由于SVG通过电力半导体开关的通断将直流侧电压转换成交流侧与电网同频率的输出电压，就像一个电压型逆变器，只不过其交流侧输出接的不是无源负载，而是电网。
因此SVG可以等效地被视为幅值和相位均可以控制的一个与电网同频率的交流电压源。
它通过交流电抗器接到电网上。
SVG一次工作原理图
二、热分析和散热设计
1).SVG的发热部件主要是两部分：
一是连接电抗器，二是功率单元模块。
本次文章主要就功率模块部分的散热设计来展开介绍。
IGBT是功率单元模块的主要发热器件，通常其PN 结不得超过25℃，封装外壳不得超过85℃。
有研究表明，当元器件的温度波动超过±20℃的时候，其失效率会增加8 倍。
所以功率器件的散热设计关乎到整个设备的运行安全。
2).以下以650A功率单元的散热设计为例：
功率模块单元的发热量计算：IGBT损耗包括通态损耗和开关损耗。
根据IGBT厂家提供的损耗计算软件以及人工公式计算综合比较得出单个模块损耗约为3.3Kw。
受结构尺寸要求散热器尺寸不能超过265mmx285mmx110mm，这样的尺寸要求散热器如果还是采用常规的工艺是很难满足散热要求的。
为提高散散热器的均温性以及整体的散热效率，散热器设计如下图在散热器的基板上埋设了12根热管。
按散热器表面模仿提供恒定 2.8Kw热源，进风风速以3.5m/s;4m/s;4.5m/s; 5m/s 为输入条件进行了风洞试验。
测试数据如下：
按环境温度为40℃，IGBT允许最高壳温85℃所以以上三种风速情况下均能满足运行要求。
根据以上功率单元的散热要求来进行柜体的整体散热设计。
功率单元柜包含了36个功率单元即每相为12级串联方式。
我司柜体均采用的是抽风的方式对功率模块的散热器进行散热，常用的几种柜体结构方式分别为前进风顶部出风；后进风顶部出风以及前后进风柜顶出风的方式。
而此次650A功率单元考虑到总体空间尺寸的要求柜体采用了结构更紧凑的前、后进风方式，即柜前柜后均安装功率单元模块而在柜体的中部形成风腔，柜顶安装风机整体抽风的方式。
整个650A功率模块柜分为6个小柜体，每个小柜安装6个功率单元，每个小柜都做到结构一致可以完全互换。
而每个小柜的散热风机选择则是根据功率模块散热的风量要求以及散热器的压降情况，同时结合柜体整体风压损失整体考虑选择风机。
考虑到长期稳定运行我司最后选择了德国进口施乐百风机（RH50E-4DK.6K.1R.1R）具体建模及仿真结果如下图：
柜体截面各处风速情况仿真
柜体截面各处风压情况仿真
结合仿真结果与我司实际的测试情况，每个功率模块的进风风速均能达到5.0m/s以上，略低于软件的仿真结果。
（这与柜体的装配工艺导致的柜体漏风情况有很大关系）通过实验验证该650A功率模块散热完全满足要求，能保证长期稳定运行。
结语：
SVG功率器件散热结构设计主要从功率器件即IGBT的损耗着手，然后根据发热器件的热流密度情况选择散热方式（常规的有自然冷却，强迫风冷，热管散热，以及水冷等）。
最后结合功率单元模块的散热要求对整个系统进行散热设计。