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应用&研究 2017-09-07 14:22
中国电工网讯:
    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
 
    1、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:

表1常见金属的导热系数表
 
 
    由上表知,银导热性较好,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,能满足电子电力澳门永利官网对散热器的诸多要求,因此被认为是制作散热器的较佳材料。
 
    图1散热器实物图
 
    二、热传导和热均衡
 
    表2关键器件额定工作温度表

 
    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,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:

    图2水杯散热原理图
 
    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。

                                                                                                                             图3(左)功率IGBT模块                                                     图4(右)IGBT管

    图5磁芯元器件
 
    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1.5-2.5%,其热损耗约为75-125W。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:
 
    ①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℃时自然冷却可承担较大热流密度为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。

    图6散热器的多散热齿设计
 
    图7散热器的褶皱设计
 
    ②外壳-散热器紧密对接结构
 
    图8散热器与外壳接触区域

                                                                                                                图9(左)整体式外壳                                                        图10(右)非整体式外壳
 
    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。
 
    ③电感外置设计

    图11电感外置设计
 
    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。
 
    在夏天,外界温度达38℃,这时逆变器外壳温度一般在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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