[ 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：
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12
图11
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。
图15
散热器翅片间的速度场分布见图16。
图16
3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]
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作者简介：
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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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