变频器散热系统设计

变频器散热系统的设计包括以下三个方面：

1、依据负载计算功率器件的损耗【1】；

2、功率器件及散热器的热阻计算及建模仿真，求取散热器与功率器件各点的温度【1】；

3、根据各点的温升以及实际环境条件，调整风扇选型、散热器以及风道设计，确定最终的散热系统方案【1】。

（一）损耗的计算

以IGBT模块为例，损耗分为开关损耗和导通损耗。其中开关损耗又分为IGBT芯片的开关损耗和DIODE芯片的反向恢复损耗，其计算公式如下：

由上式可知：开关损耗与开关频率成正比，与输出电流成正比，与直流电压成正比。

导通损耗也分为IGBT芯片的导通损耗和DIODE芯片的导通损耗，计算一般分为：

通过简化可以得到以下公式：

上述参数也可以通过线性拟合来获知，从而得到实际电流时的导通损耗。

在实际损耗计算中，还要考虑结温影响、过载损耗、不同工况条件下损耗等因素。

（二）热阻的计算及建模仿真

热阻表示热量在热流路径上遇到的阻力大小，反映介质或介质间的传热能力的大小，表明了1W热量所引起的温升大小，单位为℃/W或K/W。（一般表达热阻时，需说明从某处到某处的热阻，可以分别表示）

对于IGBT的热阻，可以通过器件手册中的数据获悉其结壳的热阻Rjc。散热器的热阻以强制空气冷却用散热器为例，热阻经验公式为：

式中，k为散热器热导率，单位W/(cm·℃)；d为散热器基板厚度，单位cm；A为散热器有效散热面积，单位cm2；C1为散热器表面状况和安装状态相关系数，散热器水平安装与垂直安装的散热效果不同；C2为强迫风冷条件下散热器相对热阻系数；C3为空气换热系数。

在设计工作中，还应考虑导热硅脂的热阻和不同风扇的风量等因素，并通过实际测试结果与计算值对照进行建模仿真，求取功率器件和散热器各关键点的温升。

（三）散热系统的设计

一般应用中，均设置散热器温升为40K，环境温度为40?C，那么计算结果应该不高于80?C。如果计算结果高于80?C，则需要对散热系统进行优化改进以降低热阻，以保证功率器件结温处于安全值内（以最高结温为175℃的四代IGBT为例，应确保应用中最高结温在150℃以内）。

对于强迫风冷的散热系统，降低散热器热阻的主要方法有：

①插片式散热器，对基板的厚度，翅片的高度、厚度、间距和数目进行合理优化。

②对于型材散热器可根据厂家提供的热阻曲线或参数优选型材。

③在允许的情况下，应选择导热系数较高的材料。

④将散热器垂直放置，加大进风口与出风口的距离，利用相对较轻的热气 流形成烟囱效应。

⑤通过合理优化散热系统的风道形状来改变空气相对于散热器表面的流动方向，在空气流场中加入紊流，增强系统对流换热效果。其中，紊流时的散热效果为层流时的3～4倍。

⑥采用多个高转速、大功率风扇，通过提高空气流动速度，增强系统换热效果。