光伏逆变器的散热研究与应用

陈云峰+闵丽萍

（常州佳讯光电产业发展有限公司 江苏常州 213022）

摘 要：本文以大功率逆变器为例子，根据各模块单元发热方式及发热量，寻找最适合其的散热方法，保护各模块单元内部元器件在最高允许温度下正常运行，从而能够保证整机设备正常运行。

关键词：逆变器； 模块单元； 散热

1 引言

随着逆变器单机功率的增大，IGBT逆变模块、电抗器等主要器件的热损耗也在不断增大，通风散热的重要性也凸显出来。在产品研发前期阶段，针对同一单品往往有多种风道设计方案，利用热分析技术在众多方案中选择最佳散热方案能有效的提高产品的热稳定性，保证整机设备正常运行。

目前，针对逆变器的散热分析多局限于IGBT模块及其散热器，整机散热分析多存在于小功率逆变器中。本文以大功率逆变器为例子，以内部各模块单元散热为重点，进行逆变器整机散热分析。

2 散热方式

以大功率逆变器为例子，通过分析各模块单元发热方式及发热量，寻找最适合其的冷却方式。目前大功率逆变器冷却方式有：

1、自然冷却：空气自然对流将热量带到周围空间，这种散热方式可以用在发热功率不大，重量温度等要求不高的场合，优点是：结构简单、无噪音、价格低廉。

2、强迫空气冷却：发热功耗大的器件，选用强迫风冷式很必要，尤其配合一些高效能散热器可以得到理想散热效果，强迫风冷换热效率高，一般是自然散热方式的数倍。

3、液体冷却：冷却液体与发热的电子元器件直接接触进行热交换。液体冷却是一种比较好的冷却方式，其缺点是：系统比较复杂、体积和重量较大、设备费用较高、维修也较困难。

逆变器属于发热功耗大器件，其主要的热量产自于电抗器，功率单元以及连接的铜排。单靠自然冷却已经不能完全解决其散热问题，这个时候就需要对它进行人为的强化散热措施。

对于功率单元和电抗器的散热情况，属于单个电子器件冷却的情况，因此采用单个电子元器件的强迫空气冷却。

对于整机部分，剩余铜排产生的热耗并不多，因此，采用自然冷却的方式

3 风机的选择

风机按其工作原理及结构形式可分为两类：轴流式通风机和离心式通风机。

轴流式通风机空气进出口的流动方向与轴线平行，特点是风量大，风压小。它又可以分为螺旋桨式、圆筒式和导叶式三种。

离心式通风机由螺壳、转动的叶轮及外部的驱动电机等三个主要部件组成。空气从轴向进入，然后转90度，在叶轮内作径向流动，并在叶轮外周压缩，再经螺壳由出风口排出。这类通风机的特点是风压高、风量小，常用于阻力较大的发热元件或机柜的通风冷却（图1）。

图1 轴流式、离心式风机

选择通风机时，应根据通风冷却系统所需的风量、风压及环境条件（包括空间大小）选定风机的类型。要求风量大、风压低的设备可采用轴流式通风机，反之可选用离心式通风机。通常的做法是根据经验值粗选一款，然后进行热仿真实验的验证，再根据热仿真的结果确定及调整所用风机。

4 逆变单元散热

逆变单元的热源就是功率开关器件IGBT，因此针对单个元器件，采用单个强迫风冷的冷却方式，选用离心式通风机，风机从底下鼓风，通过散热器，再通过导风槽向机柜外送风，外侧的钣金以及导风槽结合起来，恰好构成IGBT单独的风道。

5 电抗器散热

电抗器在进行散热设计时，选用的是风机抽风的方式，抽风方式送风比较均匀。考虑到是左右对称的结构，将风机设计在对称中间的位置，这样两边的单独散热可以整合在一个机柜中，减少机柜数量，降低成本。風机的通风口直接对准电抗器的上方，在电抗器的四周设计挡风板，为电抗器设计出一个专用的散热风道，增强散热效果。风机进风口与挡风板密闭良好，防止热量泄漏到机柜其他地方。

通风管道采用直的锥形风道，不仅容易加工，而且局部阻力也小，锥形的直管能保证气流在风道中不产生回流，可达到等量送风的要求。通风管道的长度不宜太长，适宜的管道长度可以降低风道的阻力损失，同时制造和安装也比较简单。采用光滑的钣金材料制作风道，减小摩擦损失。

6 整机通风管道设计

图2 机柜前门风道流向示意图 图3 机柜后门风道流向示意图

整体采用自然冷却的方式，机柜的前门以及后门，增开百叶窗，结构布局时设计模块交错排列并保持相应的距离，使得空气能流通疏散，增加散热效果，百叶窗位置如图2和图3所示。

7 散热仿真实验

新型兆瓦级并网逆变器整机细化仿真是在Icepak中耦合完成的，其中的条件设定说明如下：进风50℃、每个IGBT损耗为2400W（IGBT结温最高限值150℃）、电抗损耗为5144W。

变压器、电抗器的绝缘等级，并不是绝缘强度的概念，而是允许的温升的标准，即绝缘等级是指其所用绝缘材料的耐热等级，分A、E、B、F、H级。绝缘的温度等级分为 A级 E级 B级 F级 H级。各绝缘等级具体允许温升标准如下（表1）：

A E B F H

最高允许温度（℃） 105 120 130 155 180

绕组温升限值（K） 60 75 80 100 125

性能参考温度（℃） 80 95 100 120 145

表1 温度等级

新型兆瓦级并网光伏逆变器的绝缘等级为H级，根据表4-2，最高允许温度为180℃，图中最高温度为130℃，因此散热结构符合要求。

8 结论

综上，在逆变器整机散热分析中，引入典型温度仿真能有效的简化分析参数、明确分析目标，通过对典型温度的控制，使整机散热性能和散热分析精度都大为提高。