通用變頻器的散熱優化設計

張 敏，王勝勇，王傲能

（中冶南方（武漢）自動化有限公司，湖北 武漢 430205）

引言

隨著現代工業的快速發展，冶金、陶瓷等行業對通用變頻器的結構尺寸要求越來越緊湊，系統的熱流體積密度越來越大，這給系統的散熱設計也帶來了一定的難度，變頻器的熱設計顯得越來越重要[1]。在變頻器的整機設計中，機箱的散熱通風結構和散熱器的選擇對系統的散熱是至關重要的環節。目前，在實際變頻器開發的項目中，大多數主要是根據工程設計經驗和結構尺寸選擇合適的散熱器，并根據測試結果來調整散熱器的結構[2]。縮短散熱器的設計周期和成本，對項目的開發具有實際的意義。散熱器的種類主要分為鋁型材散熱器和插片式散熱器，與插片式散熱器相對比，鋁型材散熱器肋片和基板之間沒有接觸熱阻，尺寸和種類繁多能滿足不同產品應用場合的要求，在變頻器中采用較多[3]。本文通過熱仿真和實驗驗證了通用變頻器中一種插片式散熱器比鋁型材散熱器散熱性能更好。

本文以通用變頻器為例，采用專業電子熱分析軟件Flotherm 對系統仿真進行分析驗證和散熱器優化設計，通過對變頻器在額定電流工況穩定運行進行熱仿真分析和實際測試對比，驗證了熱仿真對變頻器散熱設計的適用性和正確性。對一種型材散熱器和插片式散熱器的熱仿真分析計算和實驗測試驗證，進行了不同散熱器的散熱效果對比，說明了散熱器的選擇對系統的散熱具有重要的意義。

1 Flotherm 軟件介紹

FloTHERM 軟件是采用成熟的CFD(computational Fluid Dynamic) 計算流體動力學和數值傳熱學計算仿真計算開發的[4]。它采用Patankar 與Spalding1972 年提出的在計算流體力學及計算傳熱學中得到了廣泛應用的SIMPLE 算法來迭代求解一組由Navier-Stokes方程導出的耦合偏微分非線性方程。它是基于有限單元法，將原來在時間域和空間域上連續的物理量的場，用一系列有限個離散點上的變量值的集合來代替，通過一定的方式來建立關于這些離散點上變量之間關系的代數方程組，然后求解方程組獲得變量的近似值。FloTHERM 是基于系統的質量、動量和能量三大守恒方程來迭代計算的，滿足收斂標準條件則終止計算，仿真結束；否則，需要重新調整仿真模型或網格劃分來重新迭代計算，直至收斂仿真結束。

2 變頻器功率模塊的損耗計算

變頻器在運行時產生的損耗會極大地影響設備的工作狀況。在通用變頻器中，IGBT 和整流橋是主要的發熱元器件，解決好它們的散熱問題，對變頻器的可靠性、壽命及經濟運行都具有重要意義。本文研究的通用變頻器的功率模塊損耗主要包括IGBT 和整流橋損耗、電抗器損耗和電解電容損耗等，其中IGBT 和整流橋的損耗占系統總損耗的95%以上。

2.1 IGBT 損耗的計算

IGBT 的型號是英飛凌的FS150R12KT4，其損耗主要包括IGBT 和FWD（快速恢復二極管）兩個部分的損耗，且都包括導通損耗和開關損耗。導通損耗反映了IGBT 全導通狀態下的損耗。當開關頻率較低時，通態損耗占總損耗的主要部分，隨著開關頻率的升高，開關損耗在總損耗中所占的比例迅速上升。當開關頻率較高時，IGBT 需要降額使用，以免其溫度過高，導致器件損壞。其開關損耗和導通損耗用以下公式表示[5]：

式中，P1表示IGBT 導通損耗；P2表示IGBT 開關損耗，P3表示二極管導通損耗；P4表示二極管開關損耗。VT0表示IGBT 初始管壓降，VT1表示二極管初始管壓降，Ip 表示輸出峰值電流，Erec表示反并二極管反向恢復能量損失。通過查詢相關資料，確定所需的參數后，即可計算出所需的模塊的總損耗。

2.2 整流橋損耗的計算

對于三相整流橋模塊中二極管損耗計算主要通過平均電流計算。

式中，P0為輸出功率，V0為輸出電壓，I0為輸出電流，Iin為輸入電流，Irms為輸入有效值電流，P 為單個整流橋損耗。根據器件規格書給出的參數，即可計算出模塊的總損耗。

3 散熱器熱仿真優化計算和實驗驗證

3.1 型材散熱器的實驗和仿真

以通用變頻器為例，主要的發熱器件電抗器、電容、散熱器和風扇組成了強制風冷的風道。功率器件的熱量傳到散熱器基板上，再通過導熱的方式傳遞到散熱器的翅片上，由風扇帶走熱量。采用2 個直流風扇并聯安裝。該變頻器內部包含功率器件模塊、電解電容、電抗器和電路板，可計算出額定工況下總損耗為612 W。

選用的型材散熱器的整機尺寸為252 mm×150 mm×105 mm，基板厚度為15 mm，肋片高度為85 mm，肋片厚度為1.6 mm，肋片數量32。型材散熱器由于其整體成型的特點和加工工藝限制，肋片之間的間距不能太小。

針對通用變頻器進行溫升測試實驗。實驗使用適配的電機機組作為負載進行額定工況滿載測試。實驗使用的儀器主要有多路數據記錄儀用來采集溫升數據和示波器采集輸入和輸出電流。實驗時使用T 型熱電偶線探頭貼在器件旁邊的散熱器基板表面，其分布點，見圖1。

圖1 散熱器基板表面熱電偶測試點

額定工況下整機運行2 h 后散熱器表面溫度趨于穩定散熱器表面溫升,見表1。從表中可以看出功率器件旁散熱器表面的最高溫升為42 ℃。

表1 型材散熱器測試數據

使用FloTHERM 軟件對變頻器整機結構進行建模和仿真計算，對于不影響變頻器風道的電路板和接觸器等其他一些器件簡化建模；對于主要的功率器件和散熱器根據實物進行詳細的物理建模，其中IGBT功率器件采用與實物一致的詳細芯片分層建模方法，IGBT 物理建模分為銅基板和導熱。為了使仿真的模型能盡可能的滿足要求和提高求解速度，針對散熱器、IGBT 和整流橋等，需要提高計算精度而采取網格局部加密，其中散熱器翅片的網格為2 個，其內部流道的網格至少有3 個，其他采用粗糙網格。

在求解之前需要進行環境邊界條件設定，將整機外部環境溫度設定為40 ℃，流過的空氣氣流的流體也為40 ℃環境下的空氣。風扇參數的設定需要將風扇的PQ 曲線從規格書提取出來將其導入。本文所涉及的材料包括鍍鋅板、鋁合金6061，器件的詳細模型材料包含陶瓷、純銅、硅、導熱硅脂等，根據各材料的特性將其導熱系數、密度、表面特性等設置在軟件中。在進行求解之前，設定好所關心的溫度監測點并進行穩態仿真，散熱器表面溫度分布，見圖2。由仿真結果器件下方散熱器的最大溫度為91 ℃，器件旁散熱器基板表面的最高溫升是42.2 ℃，接近實測結果。這說明了使用FloTHERM 仿真計算變頻器的溫度分布對項目的散熱設計具有實際的意義。

圖2 散熱器仿真表面溫度分布

3.2 散熱器的優化仿真計算

利用FloTHERM 軟件中的Commander Center 模塊進行散熱器的優化設計，該模塊采用了一種多目標的優化算法。該優化算法可以設置多個輸入變量和目標輸出變量。在本次實驗優化計算中，輸入變量設置為肋片厚度和肋片數量，肋片厚度變化范圍為1～4 mm，肋片數量變化范圍為30～65 個，目標函數為散熱器表面最大溫度最小。得到的最后優化結果是肋片厚度為1.3 mm，肋片數量61。為了對比不同參數的散熱器的散熱性能，優化計算后，最優的一組散熱器表面最大溫度為79.1 ℃，與目前的型材散熱器溫度相比降低了11.9 ℃，較大地提高了散熱性能。由于加工工藝限制，型材散熱器的肋片間距一般都在5 mm 以上，肋片間距小于4 mm 的散熱器一般可采用插片式加工。

3.3 插片式散熱器的實驗

將通用變頻器的型材散熱器換成插片式散熱器，其余所有均未變化。實驗采用相同機組的電機進行滿載實驗，實驗的所有參數設置均與型材散熱器測試保持一致。滿載運行2 h 后，實驗測出散熱器表面最大溫升為35.6 ℃，與熱仿真散熱表面最大溫升39.1 ℃相比，誤差小于4 ℃，仿真后的散熱器表面溫度分布，見圖3。器件旁散熱器表面測試溫度，見表2。從表中的測試數據與之前的型材散熱器相比較，散熱器表面溫度降低了15.1 ℃。這就證明了在通用變頻器的插片式散熱器比型材散熱器散熱性能更好。從軟件中可以看出風扇的工作點與風扇的PQ 曲線相交在后1/3段范圍內，說明風扇性能與變頻器系統匹配良好。

表2 散熱器優化方案數據

圖3 優化后散熱器表面溫度分布

由分別使用型材散熱器和插片式散熱器的通用變頻器的樣機測試數據對比可知，插片式散熱器雖然存在接觸熱阻，但由于可以增加肋片數量從而增加表面散熱面積，從而提高了散熱效率，同時也節省了成本，實現了更高效率的散熱。

4 結論

本文針對通用變頻器，通過仿真和實驗結合對散熱器進行了優化設計，證明了一種插片式散熱器的散熱性能優于傳統的型材散熱器。首先對已有的樣機進行額定工況運行滿載熱測試，同時使用FloTHERM 做了熱仿真分析并與實測對比驗證仿真的可行性；其次使用FloTHERM 里的Commander Center 模塊對散熱器進行了優化計算；最后針對優化后的插片式散熱器做了實驗驗證。優化設計的插片式散熱器的散熱效率高于型材散熱器，且散熱效果較好，成本較低，適合用于通用變頻器的產品中。