基于ICEPAK热仿真的光伏逆变器结构优化婚庆公司

基于ICEPAK热仿真的光伏逆变器结构优化 [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ADSL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。为获得更电动阀门好的导热效果，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)，同样面积同样压直角棱镜力时，陶瓷垫片+导热膏组合砖机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：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。图1陶瓷垫片方案图2陶瓷垫片定位塑料框图3图4图5相变导热垫片方案图6陶瓷垫片方案散热器温度场图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。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。图11图123.2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。图15散热器翅片间的速度场分布见图16。图163种结构的计算结果对比：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。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。图185.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]THERMALINTERFACEMATERIALSELECTIONGUIDE，EATONGROUP。[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]JerrySergent,AlKrum,ThermalManagementHandbook,McGRAW-HILL,NewYork.[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]RalphRemsburg,ThermalDesignofElectronicEquipment,CRCPressLLC,2001.[8]KavehAzar,ThermalMeasurementsinElectronicsCooling,CRCPressLLC,1997.[9]TonyKordyban,MoreHotAir,ASME,1998.作者简介：赵西岭([email protected])，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宁波治疗癫痫的医院哪里好
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