级联型高压变频器的散热器优化设计策略.pdf

第 5 0卷 第 8期 2 01 6年 8月 电 力 电子 技 术 P o w e r E l e c t r o n i c s Vo 1 5 0，No 8 Au g u s t 2 0 1 6 级联型高压变频器的散热器优化设计策略 冯 芬 胡 清 z ( 1 卧龙 电气集 团杭州研 究 院有 限公司 ，浙江杭州3 1 0 0 5 1 ；2 商丘 职业技 术学 院 ，河 南商 丘4 7 6 0 0 0 ) 摘要 ： 以级联型高压变频器为研究对象 针对传统散热器设计中存在的过度依赖工程经验的问题 提出一种基 于 F l o t h e r m热仿真软件的散热器优化设计策略。该优化设计策略共 4个步骤( 变换器损耗估算、 散热器初步选 型及热仿真、 散热器优化选型及热仿真和实验验证) 。给出了详细的设计及实施方法 ， 最后 ， 设计了一台8 2 8 k V A 额定容量的三相 单相变换器样机。 实验结果验证了该优化设计策略的有效性。 关键词： 高压变频器；散热器：损耗估算 中图分类号 ： T N 7 文献标识码： A 文章 编号 ： 1 0 0 0 1 0 0 X( 2 0 1 6 ) 0 8 0 0 8 6 0 3 He a t s i n k Op t i mu m De s i g n S t r a t e g y o f Ca s c a d e d Hi g h Vo l t a g e I n v e r t e r F E N G F e n ，H U Q i n g a ( 1 Wo l o n g Ha n g z h o u R e s e a r c h i n s t i t u t e C o ，L t d ，Ha n g z h o u 3 1 0 0 5 1 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： Ac c o r d i n g t o t h e p r o b l e m o f e x c e s s i v e d e p e n d e n t o f e n g i n e e ri n g e x p e ri e n c e i n h e a t s i n k d e s i g n o f c a s c a d e d h i g h v o l t a g e i n v e rte r ， a n o p t i mu m d e s i g n s t r a t e g y o f h e a t s i n k b a s e d o n F l o t h e r m s o f t wa r e i s p r o p o s e d T h i s s t r a t e g y i s c o mp o s e d o f f o u r s t e p s ： p o w e r l o s s c a l c u l a t i o n o f c o n v e ne r ， h e a t s i n k p r e l i mi n a r y s e l e c t i o n a n d t h e r ma l s i mu l a t i o n， h e a t s i n k o p t i mu m s e l e c t i o n a n d t h e r mal s i mu l a t i o n， a n d e x p e r i me n t a l v e ri fi c a t i o n T h e d e t a i l e d d e s i g n a n d i mp l e me n t a - t i o n me t h o d a r e p r o p o s e d F i n a l l y， a 8 2 8 k VA t h r e e - p h a s e s i n g l e p h a s e c o n v e n e r i s b u i l t ， t h e e x p e ri me n t a l r e s u l t s v e ri f y the f e a s i b i l i t y o f the p r o p o s e d o p t i mu m d e s i g n s tra t e gy Ke y wo r d s： h i g h v o l t a g e i n v e r t e r ；h e a t s i n k；p o we r l o s s c a l c u l a t i o n 1 引 言 级联型高压变频器被广泛应用于 3 3 k V及 以 上 电压 等级 的中、 高压 电机调速系统 l _ 。在这些 应用 中级联型高压变频器 需要配置 具有 多输 出 端 口移相变压器来实现 电气 隔离 移相变压器 的 每个输 出端接有一个三相 单相 变换器 ( 以下简称 变换器 ) 。 通过合理配置 移相变压器移相 角即可实 现输 出波形近似正弦化 。 此 外 ， 级联型高压变频器 也是一种优选方案 。该变频器 能在 使用更少的功 率单元 的基础上输 出更 多级数 电平 。从而提高 电 网 电压 质量 。 级联型高压变频器 中 ， 装有功率器件 三相 单相变换器是设备稳 定运行的关键 。由于功 率器件发 热量 大 ， 需要合理选 择散 热器【 】 。 目前 工程 师们在进 行高压变 频器散 热器 设计时主要依 靠工程经验 。 并根据实验效 果调整散热器 结构 。 该设计方法的不足之 处在于缺乏科学合理 的设计 指导 导致散 热器设计周期太长 。 而且增加成本 。 在此提 出一种 基于 F l o t h e r m高压变频 器 的散 定 稿 日期 ： 2 01 51 2 01 作者 简 介 ： 冯 芬 ( 1 9 7 8 一 ) ， 女 ， 浙江 上虞 人 ， 硕 士 ， 研 究方 向为 电力 电子、 高压大功 率 变频 驱动 。 8 6 热器 优化 设计 策 略 该 策 略分为 4个 步骤 ， 即变 换器 损耗 估 算 、 散 热器 初步 选 型及热 仿 真 、 散 热 器优化选型及热仿真和实验验证 。提 出了变换器 损耗 的估算方法 。 并在此基础 上完成 散热器 初步 选型 。然后 ， 借助 F l o t h e r m软件完成热仿真 ， 并进 行不 同优化方案 的散热效 果对 比。最后 ， 搭 建 了 实验样机对所提热设计方法进 行实例验证。 2 F l o t h e r m 热仿真 原 理 F l o t h e r m 软件 的基 本原 理是将 空间分解 为有 限个微小 的网格 。并且充分考虑每个 网格之 间的 传导 、对流和辐射 ，然后根据三 大守恒 方程进行 多次迭 代运 算【 。如 果满 足 收敛 条件 ， 则仿真 结 束 。否则 ， 则需要调整网格或者 收敛条件 ， 直 至得 到稳定 的仿真结果 。 能量 守恒方程为 ： + + + = O xO t O z雌C 1+ d d V n o O y( 砉 ) + a f C ) + ( 1 )p S TO z O z c 。 式中： ， ， W分别为流体速度的 ， Y ， 轴分量； p为流体密 度； 为流体温度 ； C 。 为流体比热容 ； S T 为流体内部热源。 动量守恒方 程为 ： 级 联 型 高压 变频 器 的 散 热 器 优 化 设 计 策 略 f 旦 + 曼 ) + 2 + 曼 垡 2 ： l a a a y I 軎 )+ 专 等)+ 軎 )_ + l + 鱼 垡 )- + 2 + 鱼 2 ： j a y r 21 I 丢 誓)+ 专 等)+ 軎 誓) 等 + l 曼 曼 2 + 曼 ! ： l a a a y I 砉 )+ 专 等)+ 軎 )一 0 e_ + 式中： P为流体 的静压力 ； 为流体粘性系数 ； ， 和 为流体体积力在 ， Y和 z轴坐标下的分量 。 质 量守恒方程为 ： + + + ： 0 ( 3 )a t a x a v 。 a z 3散热 器优 化 设计 流程 结合 此 处三 相 单相 变 换器 样机 进 行流 程 中 每个环节 的具体介绍 ， 样机 电路如 图 1 所示 。图 2 为散 热器优 化设计过程的流程 图。该优 化设计流 程共分 4步 ： 变换器损耗估算 、 散热器初 步选 型及 热仿真 、 散热器优化选型及热仿真和实验验证 。 变 2 【 2 蓐 2 2 i 。 为逆 变 器输 出 电流 ； V - 一 V 4 为 H 桥逆 变 器 的开 关 管 ； i 为 流 过 输 入 电容 的电流 。 图 1 三相 单相变 换器 拓扑 结构 F i g 1 T o p o l o g y o f t h r e e p h a s e s i n g l e - p h a s e c o n v e e r 变 换器 损 耗估 算 散 热器 初 步选 型 及 热 仿 真 图 2散热 器优化 设计 流程 图 F i g 2 F l o w c h a r t o f h e a t s i n k o p t i mu m d e s i g n 4变 换器 损耗 估算 方 法 变换器损耗主要 为 ： 整流桥损 耗 、 电解 电容损 耗和 I G B T模块损耗 。 4 1 I GBT模 块 损 耗 I G B T 模块损耗 尸 I ( 是变换器损耗的主要组成 部分 ，其估算准确度直接决定了总损耗估算精度 。 包 括 ： 开通损耗 P 蚰 、 关 断损耗 、 反 向恢复损 耗 和 导通损耗 ， 即 ： = + j + P 盯 + J 。 I舶 n d ( 4 ) 可表示为 ： = _D ( 。 1+ ( 1 ) f ( 。 1 1 ( 5 ) 式中： R T ， R F 为 I G B T模块 内 I G B T和反并联二极管导通时 动态导通电阻； ， 为等效 门槛 电压 ； ， m为输 出电流最 大有效值 ； D为等效导通 占空比， 可根据调制比计算得到。 I G B T模 块 的开关 损耗计 算 需要 结合开 关 能 量 曲线 ， 并代入式 ( 6 ) 计算得到。 所谓 开 关能量 曲线就是 I G B T在 一定 电压和 电流下 ， 单次开通、 关 断或反 向恢复过程 中发生 的 能量损耗 。 开关频率越 高 。 则一个输 出周 期 内开关 次数越多 ， 开关损耗 也就越大 。 开关能量 曲线 多采 用供应商提供 的数据 ， 但 这会 导致计算精度 不足。 因为实 际运行条件与数据手册 中实验条件在驱动 参数 ( 主要是开 通 电阻和 关断 电阻) 、 主 回路参数 ( 主要是直流 电压和线路 杂散 电感 ) 以及结温等方 面存在差异 。为此采用基于双脉冲测试 的实测开 关能量 曲线来进行 I G B T开关损耗计算。 具体做法 是搭建双脉冲测试平 台。让器件工作在额定直流 电压和结温 ，然后测试器件在不 同电流下 的开关 损耗 ， 并拟 合得到开关能量 曲线 。 e = f o ( ) ， 如( ) ， ( ) ( 6 ) 式中： 为输出频率 ； ( ) ， ( ) 和 ( ) 分别为第 i 次开 关动作时的开通损耗、 关断损耗和反向恢复能量。 4 2电解 电容 损 耗 电解 电容损耗 P 伽主要 为 电阻损 耗 ，这 些 电 阻包括 电解 电容 寄生 电阻和并联在 电解 电容两端 的均压 电阻 ： 尸 l唧 = 玩 q + k E S R ( 7 ) 式中： 为直流侧 电压 ； 为总等效均压 电阻； ， 呷为 电容 电流有效值 ； R 鼬 为电解电容总等效寄生 电阻。 4 3整 流 桥 损 耗 由于流过整流桥的 电流谐波含量大 。很难对 其进行定量分析 ， 更无法计算整流桥 的通态损耗。 因此 只能进行近似估算 。 这里提供一种估算方法 根据变换器容量 ， 将变换器等效为阻性负载整流 从而得到每个二极管上近似 电流为 ： ， F ( ) = ( 2 、 2， 叮 T ) L 3 ( 8 ) 式中： L为归算后的输入侧等效电流。 第 5 0卷 第 8期 2 01 6年 8月 电 力 电 子技 术 P o we r El e c t r o n i c s Vo 1 5 0，No 8 Au g u s t 2 0 1 6 再根据供应商提供 的数据手 册求 出所选器件 通态平均压降 ， 即可实现整流桥损耗 估算。 5散 热器 选型 及热仿 真 5 1 散 热器 初 步选 型 及 热 仿 真 三相 单相变换器选用高散 热性 能的插片式散 热器 1 0 - 1 1 1 。选 择散热器时 ， 散热器最大热阻满足 ： 尺 = ( 一 T a ) P = - R 一 R ( 9 ) 式中： R 为散热器热阻； 为器件结温 ； 为环境温度 ； 为变换器损耗； R 为器件内热阻； R 为半导体器件与散热 器界 面间 的界面 热 阻。 散热器温升 死 可 由下式计算得 到 ： A T f a = R P = ( 1 0 ) 根据此处 的损耗估算方法 变换器总损耗为 8 2 9 W， 代入 式 ( 9 ) 计 算 得散 热器 的最 大 热 阻为 0 1 0 2 5 W。故初步确定 1 2 0 A功 率单元散热器 结构尺寸 2 8 9 mm( 长 ) x 2 9 8 m m( 宽 ) x 1 3 8 m m( 高 ) 。 另外 ， 根 据经 验 ， 散 热器基板 厚度 设计为 1 5 m m， 肋片厚度设计为 1 8 m m。 肋 片数量 设计 为 3 O 。对 散热效果进行热仿真。基板最高温度达到 9 4 8 ( 环境 温度 为 4 O) 。 而期望的散热器表面最高温 度在 8 0附近 ， 因此 需要对散热器进行优化。 5 2散 热器 优 化选 型及 热 仿 真 利用 F l o t h e r m软件 的 C o m ma n d C e n t e r 模块进 行散热器优化选型。该模块采用 了一种 多输入变 量 的多 目标优化算法 输入变量可 以是连续或离 散 的， 输入变量每变 化一次对应一组新 的实验 。 此处优化 中 输入变量有肋 片数量和肋片厚 度 约束条件为散 热器总质量不变 肋片数量 的变 化范 围为 1 0 1 0 0 ， 肋 片厚度 的变 化范 围 1 3 mm， 目标 函数为 I G B T模块 的温度最低 。 得到的优化结 果为 ： 肋 片数量 5 5 ， 肋片 厚度 1 m m。为 比较不 同 散热器参数下 的散热效果 随机选择 了 3组优化 方案 ， 如表 1所示。 优 化后 ， 最优参数下 ， 散热器表 面最高温度为 8 3 3， 结 温为 1 0 3( 环 境温度 为 4 0 q c) 。相 比优 化前方案 。在相 同的散热器重 量 下 ， 散热效果有 了很大改善 ， 满足散 热要求 。 表 1优 化 结 果 对 比 表 Ta b l e 1 Co m p a r i s o n o f o p t i mi z e d r e s u l t s 8 8 6 实 验 设计一 台 8 2 8 k V A三相 单相变换器样机 ， 样 额定输 入交流 电压 ( 6 9 O 1 0 )v， 额定母 线 电压 1 k V， 开关 频率 9 0 0 Hz ， 输 出 电流 0 2 0 0 A。 输 出 频率 0 1 2 0 Hz ， 冷却方式为风冷 。 样机主要元器件 清单 ： I G B T模块为B S M3 0 0 G A1 7 0 D L C： 电解 电容为 1 0 0 0 0 Ix F 4 5 0 V， 三 串两并 ， 总容量为 6 6 6 6 7 F ； 整 流桥 为 S K D1 6 0 1 6 ； 吸收 电容为 1 F l 7 0 0 V； D S P芯片为 T MS 3 2 0 F 2 8 1 2 。负载为 阻感性负载 ， 负 载 电阻为 4 8 8 1 2 8 0 k W ( 4个 2 0 12 2 0 k W 并联 得 到) ， 负载电感为 9 6 m H。满载工作波形如图 3 。 堙 0 堙 0 t ( 5 ms 格) 图 3样机满 载 工作波形 F i g 3 Ex p e r i me n t a l w a v e f o r ms o f p r o t o t y p e f u l l - l o a d 图中 ， V 4 为 同一个桥臂 的开关 管 V ， V 的 集 电极和 发射极之 间的 电压 ； ， i 。 为变 换器 的输 出电压和输 出电流 。用功率分析仪分别测量变换 器 的输入 功率和输 出功率 求 得变换 器损耗 。实 测变换器损耗为 8 0 2 W 。这 与估算的 8 2 9 W 比较 接近 ， 由此验证损 耗估算方 法 的准确 性 。图 4为 实测温 升 曲线 为 了 比较仿 真与实验 温升 数据 在 I G B T模 块 下方 的散 热器表 面放 置 温度 探 头 。 实验结果 为散 热器表面最 高温升为 4 0 5， 相 比 4 3 3 c c的仿真 结果 ， 误差不超过 3。 图 4实测温 升 曲线 F i g4 Ex pe rime nt a l t e mpe r a t u r e c ur v e 7 结 论 提 出一种基于 F l o t h e r m 的级联 型高压变频器 散 热器优化 设计策 略 ， 该策略 是建立在 实验和 仿 真基础上 。首先 ， 需进行双脉冲测试 实验 以获得变 换器 损耗 数据 ； 其 次 ， 再利 用该数 据进 行散 热 器 的初步选 型与热仿真验证 ： 然后 ， 在 ( 下转第9 3页) 不 理 想 电 网 下 基 于 二 阶 广 义 积 分 的 锁 频 环 ( a ) 逆变模式 F P L L ( b ) 逆变模式下F L L t ( 1 0 ms 格1 t ( 1 0 ms 格) ( c ) 整流模式下P L L ( d ) 整流模式 F F L L 图 8 实 验波 形 F i g 8 E x p e ri me n t a l wa v e for ms 在 不理 想 电压 情况 下 。 S O G I F L L控制 下进 网 电流波形质量较常规 的 P L L更好 进 网电流波 形 正弦度更高 ， 电流 T H D更小 。 4 结 论 在 此提 出一种 非理想 电网条件 下并网变流器 的锁频环 技术 ， 并通过仿真和实验验证 ， 得 出 以下 结论： S O G I 滤波器可以结合对称分量法进行基 波 电压 的正序分量信 号提取 用于 S V P WM控 制策 略。 无需要 P L L的参与， 且其动态响应较快； F L L 只需采用负增益系数的积分器即可实现 ， 无需三角 函数 的计 算 ， 也 不必配 合 P L L ， 减 小数字 计算量 ； F L L的性能可由一阶线性系统的阶跃响应特性 得到 ，其动态速度不受输入 信号幅值和频 率的影 响， 由恒定参数决定； S O G I F L L系统可 以适用 于并 网变流器 的不平衡控制 、谐波抑制 以及频率 突变 的场合 。 参 考 文献 1 】 郑 听昕 ， 肖 岚 ， 田洋天 ， 等 双 向三相 A C D C变 流器 的无锁相环控制策略 J 中国电机工程学报 ， 3 3 ( 3 6 ) ： 798 7 【 2 】 C h u n g S A P h a s e T r a c k i n g S y s t e m f o r T h r e e P h a s e U t i l i t y I n t e r f a c e I n v e r t e r s J I E E E T r a n s o n P o w e r E l e c t r o n i c s ， 2 0 0 0 ， 1 5 ( 3 ) ： 4 3 1 - 4 3 8 3 王万宝， 张犁 ， 胡海滨 ， 等 三相电压不平衡条件下 改进 的锁相技术 J 电力电子技术 ， 2 0 1 3 ， 4 7 ( 7 ) ： 1 7 一 l 9 【 4 邱燕 三相 并 网逆变 器 滤波 及 锁相 技 术研 究 D 】 南 京： 南京航空航天大学 2 0 1 2 5 章玮 ， 王宏胜， 任远 ， 等 不对称电网电压条件下三 相并网型逆变器的控制叨 电工技术学报， 2 0 1 0 ， 2 5 ( 1 2 ) ： 】 03 一l 1 0 ( 上接第8 8页) F l o t h e r m软件 C o m ma n d C e n t e r 模块中 进 行散 热 器优 化选 型和 热仿 真 ； 最 后 ， 搭 建 实验 平 台进 行验证 。所提优化设计 流程 可简化散热器 开 发周期 ，所 设计 的产 品具备 更高 的可靠 性 ， 因 此值得推广到其他大功率产品的散热器设计中。 参 考 文 献 1 G e B a o mi n g ， P e n g F a n g z h e n g ， D e A l m e i d a ， e t a 1 A n E f f e c t i v e C o n t r o l Te c h n i q u e f o r Me d i u m v o l t a g e Hi g h P o w e r I n d u c t i o n Mo t o r F e d b y Ca s c a d e d N e u t r a l - p o i n t - c l a m p e d I n v e r t e r J I E E E T r a n s o n I n d u s t r i al E l e c t r o n - i c s ， 2 0 1 0， 5 7 ( 8 ) ： 2 6 5 9 - 2 6 6 8 【 2 】 S K o u r o ， M Mal i n o w s k i ， K G o p a k u m a r R e c e n t A d v a n c e s a n d I n d u s t ri a l A p p l i c a t i o n s o f Mu l t i l e v e l C o n v e rt e r s J I E - E E T r a n s o n I n d u s t ri a l E l e c t r o n i c s ， 2 0 1 0 ， 5 7 ( 8 ) ： 2 5 5 3 2 5 8 0 【 3 】 G r a i n P A d a m， K h al e d H A h me d ， S t e p h e n J F i n n e y ， e t a 1 Mo d u l a r Mu l t i l e v e l C o n v e rt e r for Me d i u m v o l t a g e Ap p l i c a t i o n s A 2 0 1 1 I E E E I n t e r n a ti o n a l E l e c t ri c Ma c h i n e s a n d D ri v e s C o n f e r e n c e C 2 0 1 1 ： 1 0 1 3 1 0 1 8 4 】 V a h e d i H， A 1 一 H a d d a d K， L a b b 6 P A， e t a 1 C a s c a d e d Mu l t i l e v e l I n v e r t e r W i t h Mu h i c a r r i e r P W M T e c h n i q u e a n d V o l t a g e B a l a n c i n g F e a t u r e A 】 2 0 1 4 I E E E 2 3 r d I n t e r n a t i o n a l S y mp o s