储能逆变器散热分析

引言

储能逆变器属于小型电力电子设备,属于户用储能系统的核心设备。为了满足家庭用户的要求,同等功率逆变器的体积日趋于小型化,而其防护等级要求却越来越高,这就对散热器的热设计提出了更高的要求。

Mos管及变压器作为逆变器的主要功率器件,在运行过程中会产生大量的热,这部分热量会使其内部集成的功率器件管芯发热、结温升高。若不能及时有效地将此热量释放,就会降低系统可靠性,甚至损坏器件。在电力电子产品小型化趋势下,模块在有限空间的散热设计成为小型光伏逆变器散热设计的核心,同时系统方案还要兼顾热敏感器件的温升,这就需要对散热方案进行全方位评估。

1仿真原理

热设计问题本质在于定量描述热现象,小功率电力电子设备的散热设计可通过湍流模型描述。电子设备的热技术包括了热分析、热设计、热测试三个环节。热量的传递有三种基本方式:导热、对流和辐射。三种形式可以单独出现,也可两种或三种形式同时出现。

热传导:由于动能从一个分子转移到另一个分子而引起的热传递。在纯导热中,单位时间内通过给定面积的热量。导热基本定律,傅里叶定律:

热对流:流动的流体与固体壁面直接接触时,由于温差引起的相互之间的热能传递过程。既有流体分子间的导热,又有流体本身的对流作用。

热辐射:与对流换热与热传导有本质不同,它能把能量以光的速度穿过真空从一个物体传给另一个物体。物体中电子震动或激发的结果,以电磁波的形式向外发射能量。

小型电子设备的散热设计属于不可压缩、常物性、无内热源的对流传热问题,结合传热学和流体动力学基本理论,得出描述该问题的微分方程组[2]。动量守恒、质量守恒方程是描写黏性流体过程的控制方程,适用于不可压缩黏性流体的层流及湍流流动。简化二维分析,其控制方程式如下:

质量守恒方程:

动量守恒方程:

能量守恒方程:

2方案设计

对于一个实际换热问题,首先是获取物理模型参数,如模型外形尺寸、关键器件尺寸、热耗分布、材料属性等。根据箱体预留散热器空间大小,确定散热器空间最大尺寸450mm×560mm×208mm。根据散热器功率、安装强度要求,基板厚度为13mm。根据风扇初步选型,设置散热器肋片厚度范围1~3mm、肋片数为变量10~30个,设置目标函数为散热器最小热阻。散热器材质为6063,监视散热器温度。模块功率密度较高,散热空间有限,在散热器两端加装风机以强冷方式散热。基于上述热耗分析,确定强制风冷总热耗294w。

热设计原则为热损耗大的器件放置在散热器的上部:内部元件均布排列,元器件与散热器接触的位置,涂导热硅脂塞满空气间隙,使器件和散热器紧密接触,以降低热阻,提高散热效率。逆变器内部整体布局,热耗元器件主要为变压器、电感、Mos管等。

图1为优化设计计算结果。运用有限元软件solve/runoptimization对散热器进行优化设计,计算结果显示:肋片数量29个,肋片厚度2.47mm,此时散热器热阻最小。

图1优化设计计算结果

图2为散热器上元器件热传导温度梯度,图3为风扇流动轨迹。经与实际测试温度对比,证明了热仿真的有效性。

3结语

通过有限元分析软件对逆变器整体热功率器件进行热仿真,形象地揭示了各功率器件的温度场分布梯度。散热器一端使用两个轴流风扇,使逆变器整体温度有明显的降低:确定功率器件分布后,设置相关的优化项,对散热器进行了优化设计,得出散热器热阻最小值时散热器的齿数及相应齿厚。根据仿真结果判定,此方案热设计符合相关规范,最高温度在允许范围内,温度分布合理。