光伏逆變器外殼發(fā)熱及逆變器散熱原理分析

:在夏天運(yùn)行的逆變器，外殼溫度比較高觸碰會有燙手的感覺。那么逆變器外殼是熱好還是不熱好？以及為什么外殼會有燙手的感覺？下面就針對這個(gè)兩問題結(jié)合逆變器散熱來做一些分析和解答。

一、常見金屬導(dǎo)熱系數(shù)及散熱器材料選擇

1、常見金屬導(dǎo)熱性和散熱材料的選擇，下表為常見金屬的導(dǎo)熱系數(shù)表：

表1 常見金屬的導(dǎo)熱系數(shù)表

由上表知，銀導(dǎo)熱性最好，銅、金次之，然后是鋁，而散熱器通常用鋁來制作主要因?yàn)椋合噍^于金、銀、銅而言，鋁的重量輕、價(jià)格便宜而且耐腐蝕、利用加工設(shè)備可以制成各種復(fù)雜的形狀，能滿足電子電力行業(yè)對散熱器的諸多要求，因此被認(rèn)為是制作散熱器的最佳材料。

圖1 散熱器實(shí)物圖

二、熱傳導(dǎo)和熱均衡

表2 關(guān)鍵器件額定工作溫度表

逆變器中的元器件都有其額定工作溫度，如果逆變器散熱性能差，隨著逆變器持續(xù)工作，元器件的熱量傳遞不到外界，其溫度就會越來越高。溫度過高會降低元器件性能和壽命，為了保持逆變器內(nèi)部元器件工作溫度在額定溫度范圍內(nèi)，保證其效能和使用壽命，就需要導(dǎo)熱材料把逆變器內(nèi)部熱量傳遞出來，

從熱傳導(dǎo)角度來講，逆變器內(nèi)外溫度越均衡，即內(nèi)部發(fā)熱元器件和散熱器、外殼溫度越接近，其熱能傳導(dǎo)性越好。如果逆變器外冷內(nèi)熱，意味著逆變器散熱性能不優(yōu)。這就類似保溫杯與普通水杯的關(guān)系：

圖2 水杯散熱原理圖

眾所周知裝有相同溫度熱水的杯子，普通杯比保溫杯散熱快，杯壁也比保溫杯杯壁燙。這是因?yàn)楸乇瓋?nèi)外壁之間為真空，無導(dǎo)熱介質(zhì)，因此外壁溫度低，內(nèi)部熱量散不出去，達(dá)到保溫效果；普通杯的杯壁為單層，能較好的傳遞內(nèi)部熱量，因此外壁發(fā)燙但降溫比保溫杯更快。

逆變器的散熱原理與單層杯散熱原理類似，能將逆變器內(nèi)部元器件的熱量快速地傳遞出來，達(dá)到迅速降低逆變器內(nèi)部元器件溫度的目的，逆變器提高工作和使用壽命。

由上可知良好的散熱性能對于逆變器十分重要，下面就具體講解逆變器發(fā)熱和散熱的基本原理。

三、逆變器散熱和散熱設(shè)計(jì)

1、電路中，有源元器件只要通上電流就會有熱量產(chǎn)生。逆變器中主要發(fā)熱器件有：開關(guān)管（IGBT、MOSfet）、磁芯元件（電感、變壓器）等。因此，為了保證元器件能在額定溫度下工作，系統(tǒng)的散熱能力非常重要。

圖3（左）功率IGBT模塊  圖4（右）IGBT管

圖5 磁芯元器件

2、逆變器工作時(shí)發(fā)熱是不可避免的，例如一臺5kW的逆變器，一般系統(tǒng)發(fā)熱功率大約是逆變器總功率的1.5-2.5%，其熱損耗約為75-125W。因此系統(tǒng)散熱降溫十分重要，針對小型戶用系統(tǒng)，業(yè)界通常使用自然散熱方式。

3、要使得散熱性能優(yōu)異，可以由以下幾點(diǎn)實(shí)現(xiàn)：

①散熱面積越大效果越好

例如5kW逆變器發(fā)熱功率為125W，按照60℃時(shí)自然冷卻可承擔(dān)最大熱流密度為0.05W/cm2算散熱面積至少約為0.25m2，為了保證體積不變，增大散熱器表面積，散熱器表面采用多散熱齒加褶皺設(shè)計(jì)，這樣就使散熱器與空氣接觸面積增大，有利于快速散熱。

圖6 散熱器的多散熱齒設(shè)計(jì)

圖7散熱器的褶皺設(shè)計(jì)

②外殼-散熱器緊密對接結(jié)構(gòu)

圖8 散熱器與外殼接觸區(qū)域

圖 9（左）整體式外殼 圖10（右）非整體式外殼

逆變器外殼為鋁合金，具有良好的導(dǎo)熱性。如上圖，采用整體式外殼結(jié)構(gòu)，散熱器與外殼通過較大面積直接緊密連結(jié)，元器件的熱量能通過散熱器直接傳遞到鋁合金外殼上，形成了器件→散熱器→外殼→空氣的散熱路徑。

另外，元器件的熱量又能通過逆變器內(nèi)部空氣傳導(dǎo)到外殼，再經(jīng)過外殼發(fā)散到外部空氣中。形成了器件→內(nèi)部空氣→外殼→外部空氣的又一條散熱路徑。

采用非整體式外殼，殼體和散熱器之間需要兩次連接，接觸不緊密。因此，參與散熱的只有散熱器和一小部分中間殼體，上部殼體不參與散熱，使整體散熱性能大幅降低。

從上面可以看出，采用整體式外殼結(jié)構(gòu)，散熱器與外殼直接緊密連結(jié)，讓鋁合金外殼通過兩條路徑參與散熱，因?yàn)楦鄥⑴c散熱，所以逆變器外殼溫度相對較高，這一現(xiàn)象的好處在于——外殼良好的導(dǎo)熱性，把逆變器內(nèi)部熱量通過殼體更快的傳遞出來，從而降低了逆變器內(nèi)部溫度和元器件溫度，從而保證了元器件和逆變器更長的使用壽命。

③電感外置設(shè)計(jì)

圖11 電感外置設(shè)計(jì)

如上圖所示，電感外置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以將將發(fā)熱器件功率電感外置，降低機(jī)箱內(nèi)溫度。電感獨(dú)立高效散熱。

四、逆變器外殼發(fā)熱和燙手原因

1、為了更好、更快地降低元器件溫度，保證元器件更長的使用壽命，采用整體式外殼與散熱器緊密接觸的設(shè)計(jì)，使外殼成為系統(tǒng)散熱的重要組成部分，散熱性能加強(qiáng)，外殼溫度較高，這屬于逆變器工作的正?，F(xiàn)象。

2、體感溫度：人體的體感溫度在36℃左右，會有溫?zé)岣?；?5℃左右會有燙熱感；在50℃左右長時(shí)間接觸會有燙疼感；在60℃時(shí)長時(shí)間接觸會形成燙傷。

因?yàn)槟孀兤魃岬男枰凸ぷ鳝h(huán)境（戶外陽光直射）的特殊性，安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定逆變器外殼溫度不能超過70℃，夏天外部環(huán)境溫度為40℃時(shí)，外殼溫度一般在55℃～60℃之間，因此人觸碰到逆變器外殼時(shí)就會有發(fā)燙的感覺。

五、總結(jié)

從上面元器件溫度和壽命的關(guān)系，以及逆變器散熱結(jié)構(gòu)的原理兩個(gè)主要角度分析，外殼成為系統(tǒng)散熱器件的一部分，能分擔(dān)元器件的部分熱量。雖然外殼溫度升高，出現(xiàn)發(fā)熱，但是逆變器內(nèi)部元器件溫度會降低得更多！更快！從而保證元器件和逆變器更長的使用壽命和正常的工作。

在夏天，外界溫度達(dá)38℃，這時(shí)逆變器外殼溫度一般在60℃左右（安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)逆變器外殼溫度不超過70℃），觸碰逆變器外殼就會有燙手的感覺。但即使出現(xiàn)發(fā)熱，也不會造成燙傷。