变频器的热设计

以下资料主要是在网上搜集来的，加了点个人的理解，目的是将其作为自己在散热知识掌握程度的一个小结，希望对同行设计人员有个参考作用

以18.5KW变频器举例

"通常散热器的设计分为三步

1:根据相关约束条件设计处轮廓图。

2:根据散热器的相关设计准则对散热器齿厚、齿的形状、齿间距、基板厚度进行优化。

3:进行校核计算"

变频器发热主要是来自功率模块IGBT和整流桥，必须通过散热器导热，采用自然风冷或强迫风冷将热量散发出去。

“散热器冷却方式的判断

对通风条件较好的场合：散热器表面的热流密度小于0.039W/cm2，可采用自然风冷。

对通风条件较恶劣的场合：散热器表面的热流密度小于0.024W/cm2，可采用自然风冷。

对通风条件较好的场合，散热器表面的热流密度大于0.039W/cm2而小于0.078W/cm2，必须采用强迫风冷。

对通风条件较恶劣的场合：散热器表面的热流密度大于0.024W/cm2而小于0.078W/cm2，必须采用强迫风冷”

注：“”中的文字是转摘来的，不知道依据，也不太理解。

以下同，不再说明！

“自然冷却散热器的设计方法

考虑到自然冷却时温度边界层较厚，如果齿间距太小，两个齿的热边界层易交叉，影响齿表面的对流，所以一般情况下，建议自然冷却的散热器齿间距大于12mm，如果散热器齿高低于10mm，可按齿间距≥1.2倍齿高来确定散热器的齿间距，一般齿间距=<1/4的散热器高度”

变频器首先按照模块放置要求，预先确定外形尺寸为宽*长*厚260*220*50

先看看自然风冷，按照上述原则，选择镇江长虹散热器有限公司的DY-V系列散热器，见下图

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2010-1-19 10:30

变频器发热量为额定功率P的5%-6%

18.5kw变频器发热量计算

Q热=6%P=6%*18.5=1.11(kw)=1110(W)

P为变频器额定功率

型材散热器表面积计算

A=UL

式中：U 散热器翅片横截面的周长，cm

L 散热器的长度，cm

A=2422.5209*220*10-2=5329.545(cm2)

散热器表面的热流密度Q热/ A =1110/5329.545 =0.208 (W/ cm2)>= 0.039W/cm2

计算出来的散热器表面的热流密度，远大于限制的0.039W/cm2，就算加长加厚散热器，增大表面积，也远远不够，所以不能采用自然风冷，要采用强迫风冷

散热器的布置见下图

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2010-1-19 10:30

也有将散热器热阻RTf来作为选择散热器的主要依据。Tj、RTj是半导体器件提供的参，P 是耗散功率，RTc可以从热设计专业书籍中查到。下面介绍一下散热器的选择。

（1）自然冷却散热器的选择

首先按以下式子计算总热阻RT和散热器的热阻RTf，即：

RT=(Tjmax-Ta)/Pc

RTf=RT-RTj-RT。

算出RT和RTf之后，可根据RTf和P来选择散热器。选择时，根据所选散热RTf和P曲线，在横坐标上查出已知P，再查出与P对应的散热器的热阻R'Tf。

按照R'Tf≤RTf的原则选择合理的散热器即可。

（2）强迫风冷散热器的选择

强迫风冷散热器在选择时应根据散热器的热阻RTf和风速来选择合适的散热器。”

又有见

“1. 概念

(1) 元件工作结温Tj：即元件允许的最高工作温度极限。本参数由制造厂提供，或产品标准强制给出要求。

(2) 元件的损耗功率P：元件在工作时自身产生的平均稳态功率消耗，定义为平均有效值输出电流与平均有效值电压降的乘积。

(3) 耗散功率Q：特定散热结构的散热能力。

(4) 热阻R：热量在媒质之间传递时，单位功耗所产生的温升。

R = ΔT / Q

2. 散热器的选配

设环境温度为Ta。散热器的配置目的，是必须保证它能将元件的热损耗有效地传导至周围环境，并使其热源＿即结点的温度不超过Tj。用公式表示为

P < Q = ( Tj - Ta ) / R ①

(当然，热量的消散除对流传导外，还可辐射。在后面讨论)

而热阻又主要由三部分组成：

R = Rjc + Rcs + Rsa ②

Rjc：结点至管壳的热阻；

Rcs：管壳至散热器的热阻；

Rsa：散热器至空气的热阻。

其中，Rjc与元件的工艺水平和结构有很大关系，由制造商给出。

Rcs与管壳和散热器之间的填隙介质（通常为空气）、接触面的粗糙度、平面度以及安装的压力等密切相关。介质的导热性能越好，或者接触越紧密，则Rcs越小。

(参考值：我厂凸台元件的风冷安装，一般可考虑Rcs≈0.1Rjc)

Rsa是散热器选择的重要参数。它与材质、材料的形状和表面积、体积、以及空气流速等参

量有关。

综合①和②，可得

Rsa <〔( Tj - Ta ) / P〕- Rjc - Rcs ③

上式③即散热器选配的基本原则。

一般散热器厂商应提供特定散热器材料的形状参数和热阻特性曲线，据此设计人员可计算出所需散热器的表面积、长度、重量，并进一步求得散热器的热阻值Rsa。”

此种方法没试过，因为具体到某种型号的散热器的性能曲线，不容量获得

既已采用强迫风冷，就要选择风机

“设定肋基温度为+80℃，用整机的高温环境温度+50℃作为进口空气温度，设定出口空气温度为+60℃，定性温度为tf =(60+50)/2=55℃

强制风冷所带走的热量大约是总损耗功率的90%，其余10%主要靠电源外壳向外的热辐射以及自然对流散掉”

通风量的计算

Q热'=Cp*ρ*Q风*Δt

Q风=Q热*60/(Cp*ρ*Δt)

式中：CP 空气的比热（J∕kg•℃）1005J/(kg•K)；

ρ空气的密度（kg/m3）1.06kg/m3；

Q风通风量（m3∕min）；

Q热' 风机带走的热量（W），Q热*90%；

△t 空气出口与进口温差（℃）一般是10℃-15℃；不知道此依据是什么

Q风=Q热'*60/(Cp*ρ*Δt)=90%*Q热*60/(1005*1.06*△t)=0.051*Q热/△t=0.051*1110/10=5.66 (m3/min)

上式Q风=0.051*Q热/△t变化一下Q风=0.051*P机*60/△t=3.06*P机/△t 式中P机为变频器额定功率，kw

是我常用的公式，作为计算所需风量的依据，个人以为△t取10偏低，理论风量太大，实际上也没有测量过

正好手头有一本科畅公司的风机说明书，上有风量计算公式，Q风=1.76P/(t2-t1) (CFM)英尺3/min =0.05P/(t2-t1) (m3/min)

举有一例：Air Flow=1.76*1000/(59-20)=45(CFM) (发热量1000W，出口温度59℃，进口温度20℃)

温差达39℃，到底应该是多少比较合适，晕！

理论计算出来的风量值，考虑到风量损失及安全性等因素，要乘以1.5-2倍，Q风‘>=1.5Q 风

选用台湾建准KD2412PMBX_6A风量120CFM= 3.4m3/min，两只根据冷却方案，确定了强迫风冷，重新选定散热器，选择无锡鸿祥散热器有限公司的插片式散热器，见图，轮廓尺寸是根据元器件的放置大致初定的，下面就要校核。

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