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基于ICEPAK热仿真的光伏逆变器结构优化
发表于:2014-09-01 09:42:23
来源:索比太阳能光伏网作者:赵西岭 极致传动科技有限公司 姚英姿 施耐德电气(中国)有限公司

  [ 摘 要 ] 本文以获得最优的整机结构布局为目标,采用ICEPAK软件对若干型号的光伏逆变器进行了热设计。首先介绍了相变导热垫片在光伏逆变器散热方案中的应用,根据热仿真结果证实了比原始方案“陶瓷垫片”具有更好的工艺性和价格优势、更小的温升。接着利用ICEPAK出色的温度/流体场解算能力,阐述了如何利用热仿真结果辅助某型三相光伏逆变器调整机械设计,最终达到结构优化的过程。

[ 关键词 ] 相变 热仿真 结构优化

1.前言
机械设计是光伏逆变器整机研发的重要内容,而光伏逆变器本身的结构特点决定了大部分机械件的总体尺寸、空间布局、形状暨材质选择又取决于整机热设计。传统的热设计方法有解析法和实验法。由于在实际产品中热传输途径非常复杂,解析法通常仅具有理论上的指导意义而难以满足工程实际需求。实验法虽然具有准确度高的优点,但是却有耗时长、成本高及难以探测系统内部温度等缺点。而基于流体力学、传热学、数值分析的现代热仿真技术是一种高技术、高速度、低成本的方法,它对优化光伏逆变器的热设计、为机械设计提供合理方向具有重要指导意义。随着商用数值仿真软件的完善,热仿真技术得到了越来越广泛的应用。本文通过产品实例,介绍了利用行业领先的Icepak软件热仿真来指导光伏逆变器结构优化。仿真结果都经过实际产品的实验验证,误差均较小,表明Icepak具有较高的工程实用价值。

2.相变导热垫片的应用
某型单相组串光伏逆变器早期散热方案如图1,热源为BOOST侧晶体管和逆变侧晶体管,晶体管与散热器间为2mm厚陶瓷垫片。为获得更好的导热效果,陶瓷垫片两个底面要预先涂导热膏。在安装时为定位各陶瓷垫片,又需要事先将2个“陶瓷垫片定位塑料框”固定在散热器上。

此方案需为“陶瓷垫片定位塑料框”开注塑模,因此提出改进方法:在散热器对应陶瓷垫片的位置铣16个凹槽,用来放置陶瓷垫片,见图3。

稍后,为消除“铣16个凹槽”的工序,再次更改方案为:在箱体钣金上对应陶瓷垫片的位置冲孔,用来放置陶瓷垫片,见图4。

以上3种方案均要使用导热膏,在装配现场易造成脏污,而且整机装配工艺复杂。

“陶瓷垫片+导热膏”组合上世纪50年代开始使用。为避免使用导热膏,上世纪80年代业界发明了弹性导热垫片,但在导热性能上稍逊于陶瓷垫片。本世纪初相变导热垫片开始投入实用。经热阻测试(1),同样面积同样压力时,“陶瓷垫片+导热膏”组合的热阻大于相变导热垫片。

最终的散热方案采用某型号相变导热垫片,如图5。不再使用导热膏和陶瓷垫片定位塑料框(或散热器铣槽,箱体挖孔),也无需额外的工装和模具。相变导热垫片可局部带背胶,可牢固准确地附着在散热器上。晶体管壳温到达一定数值时,相变导热垫片软化并充满晶体管壳与散热器间的空气间隙。图6为采用陶瓷垫片的整机热仿真结果,散热器最高温度79.88°C,晶体管最高结温104.278°C。图7为初始条件相同时采用相变垫片的整机热仿真结果,散热器最高温度79.86°C,最高结温102.09°C。

2种散热方案具体的对比见下表:
QQ截图20140731144218


由以上分析可见,采用相变导热垫片后,散热效果更好,而组装消耗工时更低。
QQ截图20140731144419

图1 陶瓷垫片方案
QQ截图20140731144528
图2 陶瓷垫片定位塑料框

QQ截图20140731144609
图3
QQ截图20140731144705
图4
QQ截图20140731144745
图5 相变导热垫片方案
QQ截图20140731144853
图6  陶瓷垫片方案散热器温度场
QQ截图20140731144939
图7 相变导热垫片方案散热器温度场

3.热仿真辅助三相光伏逆变器结构优化
3.1竖直风道方案
某型3相17kW光伏逆变器早期方案整机结构如图8,安装形式为挂墙安装,背面外观如图9。风扇向上吹风。逆变侧IGBT模块和8个BOOST晶体管安装在主散热器,另外8个BOOST晶体管安装在辅助散热器上。BOOST电感盒和逆变电感盒竖直安装在箱体背面左右两侧。为获得更大通风量,散热器框顶部全部面积打孔,过孔率60%。初始条件环境温度40°,1个大气压。初始方案使用2个8025风扇。整机热仿真温度场见图10。
 
QQ截图20140731145124
QQ截图20140731145158
图10

使用3个8025风扇的整机热仿真温度场见图11。
 
散热器翅片间的速度场分布见图12。
 
综合观察图9~12,可发现竖直风道有以下不足:(1)图9中根据流体力学理论,风扇应尽量上移靠近主散热器以获得更大风量,但上移过多则没有风掠过2个电感盒,而且结构上很难实现风扇的可快速更换要求。(2)散热器的热源位于气流末端,散热器气流入口处部分材料未得到充分利用,见图10和11的散热器蓝色部分。(3) 图12中,由于BOOST电感盒的阻挡,辅助散热器上的最左侧4个BOOST晶体管(黄色线标示)下方的翅片,仅有少量的气流掠过。(4)水平安装的风扇板积灰严重。
QQ截图20140731145309
图11
QQ截图20140731145342
图12

3.2水平风道方案
 
改进型光伏逆变器采用水平风道,整机结构如图13,安装形式为挂墙安装,背面外观如图14。风扇安装在BOOST侧,向内部吹风。逆变侧IGBT模块和16个BOOST晶体管安装在散热器上。BOOST电感和逆变电感安装在一个盒体内。为获得更大通风量,散热器框出风侧全部面积打孔,过孔率60%。初始条件环境温度40°,1个大气压。使用2个8025风扇。整机热仿真温度场见图15。
QQ截图20140731145431
QQ截图20140731145522
图15

散热器翅片间的速度场分布见图16。
QQ截图20140731145627
图16

3种结构的计算结果对比:
QQ截图20140731145740

可见,采用水平风道时,用2个风扇可获得与“竖直风道+3个风扇”同样的散热效果。热源接近散热器冷空气入口,散热器利用率高。所有翅片在空气流向上没有阻挡。散热器气流入口靠近箱体外侧,风扇板适宜做成“快速更换”形式。竖直安装的风扇板也避免了积灰问题。散热器框和风扇板用料更省,出风口冲孔加工量更小。
 
4.相邻逆变器间的热气流干扰问题
采用水平风道时,前1台逆变器的的出风口热空气会被下1台逆变器的进风口吸入。以上文的17kw逆变器为例,经热仿真发现,距离1.5米时,前1台的热空气对后1台已基本无影响。见图17。
QQ截图20140731145829
图17

如前后逆变器间插有挡板,则仅相距600mm时,已互不影响,见图18。
QQ截图20140731145919
图18
 
5.结论
光伏逆变器的机械设计与硬件布局和整机散热密切相关。利用ICEPAK热仿真工具,可以在方案提出的初期就掌握整机的热特性,并对影响机械件成本的诸因素(如:部件几何尺寸、部件形状、材料的热物性参数)进行定性、定量分析,迅速找到最合理的机械设计方案,对提高光伏逆变器产品竞争力具有重要指导意义。
 
[参考文献]
[1]THERMAL INTERFACE MATERIAL SELECTION GUIDE,EATON GROUP。
[2]余建祖,电子设备热设计及分析技术,北京:北京航空航天大学出版社, 2000。
[3]邱成悌,赵惇殳,蒋全兴, 电子设备结构设计原理,南京: 东南大学出版, 2005。
[4]陶高周,散热器镶齿及焊接技术在大功率电源热设计中的应用,电源世界,2007/05,22 – 23。
[5]Jerry Sergent, Al Krum, Thermal Management Handbook, McGRAW-HILL, New York.
[6][美] M.N.奥齐西克著,俞昌铭主译,热传导,高等教育出版社
[7]Ralph Remsburg, Thermal Design of Electronic Equipment, CRC Press LLC, 2001.
[8]Kaveh Azar, Thermal Measurements in Electronics Cooling, CRC Press LLC, 1997.
[9]Tony Kordyban, More Hot Air, ASME, 1998.

作者简介:
赵西岭( 21720708@qq.com ),嘉兴极致传动有限公司 314001
姚英姿,施耐德电气(中国)有限公司 201203
 

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