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逆变器外壳发热及逆变器散热原理分析 | PV-Tech每日光伏新闻

逆变器外壳发热及逆变器散热原理分析

  • 2017年09月07日
  • 作者: Xin Yin

    Xin Yin

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表1 常见金属的导热系数表

表1 常见金属的导热系数表

图1散热器实物图

图1散热器实物图

表2关键器件额定工作温度表

表2关键器件额定工作温度表

图2水杯散热原理图

图2水杯散热原理图

图3功率IGBT模块

图3功率IGBT模块

图4 IGBT管

图4 IGBT管

图5 磁芯元器件

图5 磁芯元器件

图6散热器的多散热齿设计

图6散热器的多散热齿设计

图7散热器的褶皱设计

图7散热器的褶皱设计

图8散热器与外壳接触区域

图8散热器与外壳接触区域

图9整体式外壳

图9整体式外壳

图10非整体式外壳

图10非整体式外壳

图11电感外置设计

图11电感外置设计

在夏天运行的逆变器,外壳温度比较高触碰会有烫手的感觉。那么逆变器外壳是热好还是不热好?以及为什么外壳会有烫手的感觉?下面就针对这个两问题结合逆变器散热来做一些分析和解答。

一、常见金属导热系数及散热器材料选择

常见金属导热性和散热材料的选择,下表为常见金属的导热系数表:(见配图1)

由上表知,银导热性最好,铜、金次之,然后是铝,而散热器通常用铝来制作主要因为:相较于金、银、铜而言,铝的重量轻、价格便宜而且耐腐蚀、利用加工设备可以制成各种复杂的形状,能满足电子电力行业对散热器的诸多要求,因此被认为是制作散热器的最佳材料。(见图2)

二、热传导和热均衡

表2 关键器件额定工作温度表(见图3)

逆变器中的元器件都有其额定工作温度,如果逆变器散热性能差,伴随着逆变器持续工作,元器件的热量传递不到外界,其温度就会越来越高。温度过高会降低元器件性能和寿命,为了保持逆变器内部元器件工作温度在额定温度范围内,保证其效能和使用寿命,就需要导热材料把逆变器内部热量传递出来, 

从热传导角度来讲,逆变器内外温度越均衡,即内部发热元器件和散热器、外壳温度越接近,其热能传导性越好。如果逆变器外冷内热,意味着逆变器散热性能不优。这就类似保温杯与普通水杯的关系:(见图4)

众所周知,装有相同温度热水的杯子,普通杯比保温杯散热快,杯壁也比保温杯杯壁烫。这是因为保温杯内外壁之间为真空,无导热介质,因此外壁温度低,内部热量散不出去,达到保温效果;普通杯的杯壁为单层,能较好的传递内部热量,因此外壁发烫但降温比保温杯更快。

逆变器的散热原理与单层杯散热原理类似,能将逆变器内部元器件的热量快速地传递出来,达到迅速降低逆变器内部元器件温度的目的,逆变器提高工作和使用寿命。

由上可知良好的散热性能对于逆变器十分重要,下面就具体讲解逆变器发热和散热的基本原理。

三、逆变器散热和散热设计

1、电路中,有源元器件只要通上电流就会有热量产生。逆变器中主要发热器件有:开关管(IGBT、MOSfet)、磁芯元件(电感、变压器)等。因此,为了保证元器件能在额定温度下工作,系统的散热能力非常重要。(见图5、6、7)

2、逆变器工作时发热是不可避免的,例如一台5kW的逆变器,一般系统发热功率大约是逆变器总功率的2.5%,其热损耗约为125W。因此系统散热降温十分重要,针对小型户用系统,业界通常使用自然散热方式。

3、要使得散热性能优异,可以由以下几点实现:

  • 散热面积越大效果越好

例如5kW逆变器发热功率为125W,按照60℃时自然冷却可承担最大热流密度为0.05W/cm2算散热面积至少约为0.25m2 ,为了保证体积不变,增大散热器表面积,散热器表面采用多散热齿加褶皱设计 ,这样就使散热器与空气接触面积增大,有利于快速散热。(见图8、9)

  • 外壳-散热器紧密对接结构(见图10、11、12)

逆变器外壳为铝合金,具有良好的导热性。如上图,采用整体式外壳结构,散热器与外壳通过较大面积直接紧密连结,元器件的热量能通过散热器直接传递到铝合金外壳上,形成了器件→散热器→外壳→空气的散热路径。

另外,元器件的热量又能通过逆变器内部空气传导到外壳,再经过外壳发散到外部空气中。形成了 器件→内部空气→外壳→外部空气的又一条散热路径。

采用非整体式外壳,壳体和散热器之间需要两次连接,接触不紧密。因此,参与散热的只有散热器和一小部分中间壳体,上部壳体不参与散热,使整体散热性能大幅降低。

从上面可以看出,采用整体式外壳结构,散热器与外壳直接紧密连结,让铝合金外壳通过两条路径参与散热,因为更多参与散热,所以逆变器外壳温度相对较高,这一现象的好处在于——外壳良好的导热性,把逆变器内部热量通过壳体更快的传递出来,从而降低了逆变器内部温度和元器件温度,从而保证了元器件和逆变器更长的使用寿命 。

  • 电感外置设计(见图13)

如上图所示,电感外置的结构设计可以将将发热器件功率电感外置,降低机箱内温度。电感独立高效散热。

四、逆变器外壳发热和烫手原因

1、为了更好、更快地降低元器件温度,保证元器件更长的使用寿命,采用整体式外壳与散热器紧密接触的设计,使外壳成为系统散热的重要组成部分,散热性能加强,外壳温度较高,这属于逆变器工作的正常现象。

2、体感温度:人体的体感温度在36℃左右,会有温热感;在45℃左右会有烫热感;在50℃左右长时间接触会有烫疼感;在60℃时长时间接触会形成烫伤。

因为逆变器散热的需要和工作环境(户外阳光直射)的特殊性,安规标准规定逆变器外壳温度不能超过70℃,夏天外部环境温度为40℃时,外壳温度一般在55℃ ~60℃之间,因此人触碰到逆变器外壳时就会有发烫的感觉。

五、总结

从上面元器件温度和寿命的关系,以及逆变器散热结构的原理两个主要角度分析,外壳成为系统散热器件的一部分,能分担元器件的部分热量。虽然外壳温度升高,出现发热,但是逆变器内部元器件温度会降低得更多!更快!从而保证元器件和逆变器更长的使用寿命和正常的工作。 

一般外壳温度在45℃ ~55℃之间,在夏天外界温度达38℃,逆变器多数情况下外壳温度在60℃左右(安规标准逆变器外壳温度不超过70℃),触碰逆变器外壳就会有烫手的感觉。但即使出现发热,也不会造成烫伤。

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