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逆变器外壳发热及逆变器散热原理分析

2017-11-13 13:08| 发布者: wendy| 查看: 565| 评论: 0|来自: pv-tech

摘要: 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 ...
       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 。

       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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