基于高压变频器单元的热仿真计算

1 引言

大型电力电子设备，如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。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。

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。由于三环公司高压变频器设备功率大，一般为MW级，在正常工作时，会产生大量的热量。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。

2 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。

2.1 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。

2.2 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/(Cp ρ △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,W。

Cp=1005J/(kg ℃)：空气比热，J/(kg ℃)。

ρ=1.11(m3/kg)：空气密度，m2/kg。

△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。

2.3 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。

根据串联风道和并联风道的特点，三环公司高压变频器选择并联风道设计，并形成了独有的结构专利技术。

3 仿真分析

利用仿真软件可以在以上各种不同结构及层次上对系统散热、温度场及内部流体运动状态进行高效、准确、简便的定量分析。

根据仿真结果，对散热结构进行评估、修改，然后再次仿真，直到得到满足要求的结果。通过这种方式，我们对热失效进行了很好控制，从而大大提高了设备的可靠性和稳定性。