浅谈大功率高压变频器散热分析

来源：罗姆半导体社区

变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。

在大型电力电子设备中，随着温度的增加，失效率也增加，因此大功率高压变频器 功率器件的热设计直接关系到设备的可靠性与稳定性。大功率高压变频器往往要求有极高的可靠性，影响电力电子设备失效的主要形式是热失效，据统计，50%以上的电子热失效主要是由于温度超过额定值引起的。从结构设计上来说散热技术是保证设备正常运行的关键环节。为保证设备的正常工作，把大量的热量散发出去，优化散热与通风方案，进行合理的设计与计算，实现设备的高效散热，对于提高设备的可靠性是十分必要的。

一、散热计算

高压变频器在正常工作时，热量来源主要是隔离变压器、电抗器、功率单元、控制系统等，其中作为主电路电子开关的功率器件的散热、功率单元的散热设计及功率柜的散热与通风设计最为重要。对igbt或igct功率器件来说，其pn结不得超过125℃，封装外壳为85℃。有研究表明，元器件温度波动超过±20℃，其失效率会增大8倍。

通常，变频器安装在控制柜中。我们要了解一台变频器的发热量大概是多少，可以用以下公式估算：发热量的近似值=变频器容量（KW）×55在这里，如果变频器容量是以恒转矩负载为准的（过流能力150%*60s）如果变频器带有直流电抗器或交流电抗器，并且也在柜子里面，这时发热量会更大一些，所以电抗器安装在变频器侧面或测上方比较好。这时可以用估算：变频器容量（KW）×60因为各变频器厂家的硬件都差不多，所以上式可以针对各品牌的产品。注意：如果有制动电阻的话，因为制动电阻的散热量很大，因此最好安装位置和变频器隔离开，如装在柜子上面或旁边等。

二、排风量计算

在最恶劣环境温度情况下，计算散热器最高温度达到需求时候的最小风速。根据风速按照冗余放大率来确定排风量。排风量的计算公式为：Qf=Q/（Cpρ△T）

式中：

Qf:强迫风冷系统所须提供的风量。

Q:被冷却设备的总热功耗，

Cp=1005J/（kg℃）：空气比热，J/（kg℃）。

ρ=1.11（m3/kg）：空气密度，

△T=10℃：进、出口处空气的温差，℃。

根据风量和风压确定风机型号，使得风机工作在效率最高点处，即增加了风机寿命又提高了设备的通风效率。

三、风道设计

串联风道是由每个功率模块的散热器上下相对，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。

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，是设计的难点。

四、变频器在高温下的注意事项：

1、 认真监视并记录变频器人机界面上的各显示参数，发现异常应即时反映

2、 认真监视并记录变频室的环境温度，环境温度应在-5℃~40℃之间。移相变压器的温升不能超过130℃

、 夏季温度较高时，应加强变频器安装场地的通风散热。确保周围空气中不含有过量的尘埃，酸、盐、腐蚀性及爆炸性气体

4、 夏季是多雨季节，应防止雨水进入变频器内部（例如雨水顺风道出风口进入）

5、 变频器柜门上的过滤网通常每周应清扫一次；如工作环境灰尘较多，清扫间隔还应根据实际情况缩短

6、 变频器正常运行中，一张标准厚度的A4纸应能牢固的吸附在柜门进风口过滤网上

7、 变频室必须保持干净整洁，应根据现场实际情况随时清扫。

8、 变频室的通风、照明必须良好，通风散热设备（空调、通风扇等）能够正常运转。

五、散热设计注意事项

1、 选用耐热性和热稳定性好的元器件和材料，以提高其允许的工作温度；

2、 减小设备（器件）内部的发热量。为此，应多选用微功耗器件，如低耗损型igbt,并在电路设计中尽量减少发热元器件的数量，同时要优化器件的开关频率以减少发热量；

3、 采用适当的散热方式与用适当的冷却方法，降低环境温度，加快散热速度。

4、 风道出口处要有防护网，防尘孔直径应不大于10mm，可采用“上边缘长出下边缘10cm”方式(此方式适用于用户墙外有足够的顶沿);或做风道弯头以防雨/雪水倒灌，或飞禽/飞絮进入（此方式适用于外裸墙、无顶沿或顶沿较高且短的情况）﹔

5、 变频器风机在与风道连接时风机上的防尘网不允许摘除;

6、 风道穿过墙体处，风道边缘与墙体间不能有间隙;

审核编辑 黄昊宇