高压变频器的通风与散热设计

高压变频器的通风与散热设计

摘要：在石油、化工、电力、煤矿等工业生产领域对变频器的可靠性要求极高。影响变频器可靠性的因素很多，通风散热是重要因素之一。因此，解决好变频器

设计过程中的散热与通风是一个至关重要的环节。散热能力决定变频器的输出电

流能力，从而影响输出转距能力，为此就要优化散热与通风方案，进行合理设计，实现设备的高效散热，这对提高设备的可靠性是很重要的。高压变频器工作时的

热量主要来源于隔离变压器、电抗器、功率单元和控制系统等，其中功率器件、

功率单元及功率柜的散热与通风设计最为重要。

关键词：高压变频器；散热与通风；设计

一、功率单元散热

功率单元中的元器件主要包括整流二极管、IBGT模块、电容、快速熔断器、

母线开关器件驱动电路以及其它一些保护电路等。除二极管整流模块与IGBT模块外，其余元器件由于在功率单元中通过支架等方式安装，在保证足够的空间距离

与必要轻微空气的对流的条件下，已能满足其散热要求。因此功率单元的散热设

计主要考虑二极管整流模块与IGBT模块的散热要求即可。

功率器件的损耗功率所产生的温升需由散热器来降低，通过散热器增加功率

器件的导热和辐射面积、扩张热流以及缓冲导热过渡过程，直接传导或借助于导

热介质将热量传递到冷却介质中，如空气、水或水的混合液等。目前在高压变频

器中主要用到的冷却方式为强制空气冷却、循环水冷却和热管散热器冷却。

由于空气冷却比较简单，不存在热管散热的复杂性及水冷的凝露问题，所以

在通常情况下大多都会首先选择空气冷却。空气冷却用的散热器通常是一块带有

很多叶片的良导热体,散热器热阻估算公式如下：

式中：k为散热器热导率；d和A分别为散热器的厚度和面积，分别以cm和cm2表示;C为一个与散热器表面和安装角度有关的修正因子。

此式在空气温度不超过45℃时成立，通常利用式（1）估算散热器的散热能力。

二、散热器的选择及注意事项

功率器件是大多数电子设备中的关键器件，其工作状态直接影响到整机的可

靠性及稳定性。大功率器件的发热量大，仅靠封装外壳的散热是无法满足散热要

求的，需要配置合理的散热器增强散热效果，因此，分析影响散热器散热效果的

一些因素，将有利于合理选择散热器，提高散热效果。

2.1散热器的选择

以铝型材散热器为例分析影响散热效果的一些因素：

（1）肋片长度适当增加能减小器件结温，但是过分增加肋片长度不能确保热量传导至散热器肋片的末端，不能明显地降低结温，反而会使散热器重量增加太多。工程实践证明散热器的肋片长度和基座宽度之比接近1时，传热较好。

（2）肋片的厚度对散热器热性能没有太大的影响，肋片厚度的增加并不会使热源结温降低很多，反而增加了散热器的重量。改变散热器肋片厚度也会增大加

工难度。

（3）肋片高度对散热器热性能有很大影响，一般随着肋片高度的增加，器件的热量更易通过肋片散至周围空间。但是如果肋片高度过高，散热器体积增加太

多，因此散热器肋片高度不宜过高。一般肋片的高度加倍，则散热能力为原来的1.4倍。

（4）一般随着肋片数目的增多热源结温会有所降低，但是超过某一数值后随着肋片的增多器件结温没有明显变化，而散热器重量明显增加。通常会有器件安

装在散热器两肋片之间，如果肋片数太多，器件不易安装在散热器上，因而不能

盲目增加肋片的数目。

（5）如果散热器表面未进行氧化处理，对于散热器热阻和性能有较大影响。所以散热器一般都要进行煮黑氧化处理，降低散热器热阻，减小热源结温，使器

件更安全可靠地工作。

2.2器件在散热器上安装时应注意事项

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，所以IGBT等发热量大的器件应布置在此

位置；

（2）在同一个散热器上安装多个功率器件时，在考虑各个器件损耗情况的基础上，决定安装的位置，对损耗大的器件应给予足够大的面积；

（3）安装模块的散热器表面，如有凹陷会直接导致接触热阻的增加，应注意螺钉位置间的平面度控制在100mm/m2以内，表面粗糙度控制在10μm以下；

（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。

三、整机的散热

因强制空气冷却的高压变频器一般需要设计风道，风道设计要使功率单元散

热效果良好的情况下尽量优化，下面介绍常用的两种形式的散热风道。

3.1并联风道

并联风道如图1所示，从提高设备的可靠性考虑，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。

3.2串联风道

串联风道如图2所示，是由每个器件空间上下相对，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。为了解决这种问题，就需要提高风速或扩大通风面积来提高通风量，当

风道路径较长、风道阻尼较大时就需要提高风机风压。

3.3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，并能保证电力半导体器件风冷散热器3～6m/s的风速这样的要求来设

计通风栅及选择风机。