逆變器外殼發(fā)熱及逆變器散熱原理分析
一、常見(jiàn)金屬導(dǎo)熱系數(shù)及散熱器材料選擇
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201807/383964.htm1、常見(jiàn)金屬導(dǎo)熱性和散熱材料的選擇,下表為常見(jiàn)金屬的導(dǎo)熱系數(shù)表:
表1常見(jiàn)金屬的導(dǎo)熱系數(shù)表
由上表知,銀導(dǎo)熱性最好,銅、金次之,然后是鋁,而散熱器通常用鋁來(lái)制作主要因?yàn)椋合噍^于金、銀、銅而言,鋁的重量輕、價(jià)格便宜而且耐腐蝕、利用加工設(shè)備可以制成各種復(fù)雜的形狀,能滿(mǎn)足電子電力行業(yè)對(duì)散熱器的諸多要求,因此被認(rèn)為是制作散熱器的最佳材料。
圖1散熱器實(shí)物圖
二、熱傳導(dǎo)和熱均衡
表2關(guān)鍵器件額定工作溫度表
中的元器件都有其額定工作溫度,如果逆變器散熱性能差,隨著逆變器持續(xù)工作,元器件的熱量傳遞不到外界,其溫度就會(huì)越來(lái)越高。溫度過(guò)高會(huì)降低元器件性能和壽命,為了保持逆變器內(nèi)部元器件工作溫度在額定溫度范圍內(nèi),保證其效能和使用壽命,就需要導(dǎo)熱材料把逆變器內(nèi)部熱量傳遞出來(lái),
從熱傳導(dǎo)角度來(lái)講,逆變器內(nèi)外溫度越均衡,即內(nèi)部發(fā)熱元器件和散熱器、外殼溫度越接近,其熱能傳導(dǎo)性越好。如果逆變器外冷內(nèi)熱,意味著逆變器散熱性能不優(yōu)。這就類(lèi)似保溫杯與普通水杯的關(guān)系:
圖2水杯散熱原理圖
眾所周知裝有相同溫度熱水的杯子,普通杯比保溫杯散熱快,杯壁也比保溫杯杯壁燙。這是因?yàn)楸乇瓋?nèi)外壁之間為真空,無(wú)導(dǎo)熱介質(zhì),因此外壁溫度低,內(nèi)部熱量散不出去,達(dá)到保溫效果;普通杯的杯壁為單層,能較好的傳遞內(nèi)部熱量,因此外壁發(fā)燙但降溫比保溫杯更快。
逆變器的散熱原理與單層杯散熱原理類(lèi)似,能將逆變器內(nèi)部元器件的熱量快速地傳遞出來(lái),達(dá)到迅速降低逆變器內(nèi)部元器件溫度的目的,逆變器提高工作和使用壽命。
由上可知良好的散熱性能對(duì)于逆變器十分重要,下面就具體講解逆變器發(fā)熱和散熱的基本原理。
三、逆變器散熱和散熱設(shè)計(jì)
1、電路中,有源元器件只要通上電流就會(huì)有熱量產(chǎn)生。逆變器中主要發(fā)熱器件有:開(kāi)關(guān)管(IGBT、MOSfet)、磁芯元件(電感、變壓器)等。因此,為了保證元器件能在額定溫度下工作,系統(tǒng)的散熱能力非常重要。
2、逆變器工作時(shí)發(fā)熱是不可避免的,例如一臺(tái)5kW的逆變器,一般系統(tǒng)發(fā)熱功率大約是逆變器總功率的1.5-2.5%,其熱損耗約為75-125W。因此系統(tǒng)散熱降溫十分重要,針對(duì)小型戶(hù)用系統(tǒng),業(yè)界通常使用自然散熱方式。
3、要使得散熱性能優(yōu)異,可以由以下幾點(diǎn)實(shí)現(xiàn):
①散熱面積越大效果越好
例如5kW逆變器發(fā)熱功率為125W,按照60℃時(shí)自然冷卻可承擔(dān)最大熱流密度為0.05W/cm2算散熱面積至少約為0.25m2 ,為了保證體積不變,增大散熱器表面積,散熱器表面采用多散熱齒加褶皺設(shè)計(jì) ,這樣就使散熱器與空氣接觸面積增大,有利于快速散熱。
圖6散熱器的多散熱齒設(shè)計(jì)
圖7散熱器的褶皺設(shè)計(jì)
②外殼-散熱器緊密對(duì)接結(jié)構(gòu)
圖8散熱器與外殼接觸區(qū)域
圖9整體式外殼
圖10非整體式外殼
逆變器外殼為鋁合金,具有良好的導(dǎo)熱性。如上圖,采用整體式外殼結(jié)構(gòu),散熱器與外殼通過(guò)較大面積直接緊密連結(jié),元器件的熱量能通過(guò)散熱器直接傳遞到鋁合金外殼上,形成了器件→散熱器→外殼→空氣 的散熱路徑。
另外,元器件的熱量又能通過(guò)逆變器內(nèi)部空氣傳導(dǎo)到外殼,再經(jīng)過(guò)外殼發(fā)散到外部空氣中。形成了 器件→內(nèi)部空氣→外殼→外部空氣 的又一條散熱路徑。
采用非整體式外殼,殼體和散熱器之間需要兩次連接,接觸不緊密。因此,參與散熱的只有散熱器和一小部分中間殼體,上部殼體不參與散熱,使整體散熱性能大幅降低。
從上面可以看出,采用整體式外殼結(jié)構(gòu),散熱器與外殼直接緊密連結(jié),讓鋁合金外殼通過(guò)兩條路徑參與散熱,因?yàn)楦鄥⑴c散熱,所以逆變器外殼溫度相對(duì)較高,這一現(xiàn)象的好處在于--外殼良好的導(dǎo)熱性,把逆變器內(nèi)部熱量通過(guò)殼體更快的傳遞出來(lái),從而降低了逆變器內(nèi)部溫度和元器件溫度,從而保證了元器件和逆變器更長(zhǎng)的使用壽命 。
③電感外置設(shè)計(jì)
圖11電感外置設(shè)計(jì)
如上圖所示,電感外置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以將將發(fā)熱器件功率電感外置,降低機(jī)箱內(nèi)溫度。電感獨(dú)立高效散熱。
四、逆變器外殼發(fā)熱和燙手原因
1、為了更好、更快地降低元器件溫度,保證元器件更長(zhǎng)的使用壽命,采用整體式外殼與散熱器緊密接觸的設(shè)計(jì),使外殼成為系統(tǒng)散熱的重要組成部分,散熱性能加強(qiáng),外殼溫度較高,這屬于逆變器工作的正常現(xiàn)象。
2、體感溫度:人體的體感溫度在36℃左右,會(huì)有溫?zé)岣?在45℃左右會(huì)有燙熱感;在50℃左右長(zhǎng)時(shí)間接觸會(huì)有燙疼感;在60℃時(shí)長(zhǎng)時(shí)間接觸會(huì)形成燙傷。
因?yàn)槟孀兤魃岬男枰凸ぷ鳝h(huán)境(戶(hù)外陽(yáng)光直射)的特殊性,安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定逆變器外殼溫度不能超過(guò)70℃,夏天外部環(huán)境溫度為40℃時(shí),外殼溫度一般在55℃ ~60℃之間,因此人觸碰到逆變器外殼時(shí)就會(huì)有發(fā)燙的感覺(jué)。
五、總結(jié)
從上面元器件溫度和壽命的關(guān)系,以及逆變器散熱結(jié)構(gòu)的原理兩個(gè)主要角度分析,外殼成為系統(tǒng)散熱器件的一部分,能分擔(dān)元器件的部分熱量。雖然外殼溫度升高,出現(xiàn)發(fā)熱,但是逆變器內(nèi)部元器件溫度會(huì)降低得更多!更快!從而保證元器件和逆變器更長(zhǎng)的使用壽命和正常的工作。
在夏天,外界溫度達(dá)38℃,這時(shí)逆變器外殼溫度一般在60℃左右(安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)逆變器外殼溫度不超過(guò)70℃),觸碰逆變器外殼就會(huì)有燙手的感覺(jué)。但即使出現(xiàn)發(fā)熱,也不會(huì)造成燙傷。
評(píng)論