如何从散热上提高寿命--光伏逆变器中的黑科技

光伏逆变器是光伏系统的核心设备，主要作用是把光伏组件发出来的直流电变成符合电网要求的交流电。但实际上逆变器不仅仅是逆变，而是光伏电站的安全管家，逆变器还承担着光伏方阵和电网的监测和保护，对外界环境防护和人机交互等系统级功能。

图1：逆变器安全管家功能

在光伏行业标准NB32004-2013中，逆变器有100多个严格的技术参数，每一个参数合格才能拿到证书。国家质检总局每一年也会抽查，对光伏并网逆变器产品的保护连接、接触电流、固体绝缘的工频耐受电压、额定输入输出、转换效率、谐波和波形畸变、功率因数、直流分量、交流输出侧过/欠压保护等9个项目进行了检验。

一款全新的逆变器，从开发到量产，要两年多时间才能出来，除了过欠电压保护等功能外，逆变器还有很多鲜为人知的黑科技，如漏电流控制、热设计、电磁兼容、谐波抑制、效率控制等等，需要投入大量的人力和物力去研发和测试。

本文主要介绍逆变器的散热设计技术

1、逆变器为什么要散热

逆变器作为一款电力电子设备，和所有电子产品一样都面临温度带来的挑战，来自美国空军航空电子整体研究项目的一份调查报告显示(图2)：所有电子产品失效案例中，其中有高达55%的比例是温度原因造成的。逆变器内部的电子元器件对温度同样是非常敏感的，根据可靠性理论10度法则，从室温起，温度每升高10度，寿命减半，所以逆变器散热设计非常重要。

图2：电子产品失效的主要原因

2、逆变器散热的几种方式

逆变器散热系统主要包括散热器、冷却风扇、导热硅脂等材料。目前逆变器散热方式主要有两种：一是自然冷却，二是强制风冷。

(1)自然冷却 自然冷却是指不使用任何外部辅助能量的情况下，实现局部发热器件向周围环境散热达到温度控制的目的，这其中通常都包含了导热、对流和辐射三种主要传热方式，其中对流以自然对流方式为主，自然散热或冷却往往适用对温度控制要求不高、器件发热的热流密度不大的低功耗器件和部件，以及密封或密集组装的器件不宜(或不需要)采用其它冷却技术的情况下。目前市场上主流的单相逆变器和20kW以下的三相逆变器，大部分厂家均采用自然冷却方式。

(2)强制风冷强制风冷主要是借助于风扇等强迫器件周边空气流动，从而将器件散发出的热量带走的一种方法。这种方法是一种操作简便、收效明显的散热方法。如果部件内元器件之间的空间适合空气流动或适于安装局部散热器，就可尽量使用这种冷却方法。提高这种强迫对流传热能力的方法，增大散热面积和在散热表面产生比较大的强迫对流传热系数。增大散热器表面的散热面积来增强电子元器件的散热，在实际工程中得到了非常广泛的应用。工程中主要是采用肋片来扩展散热器表面的散热面积以达到强化传热的目的。散热器本身材料的选择跟其散热性能有着直接的关系。目前，散热器的材料主要是用铜或铝，其扩展换热面经折叠鳍/冲压薄鳍等工艺制成。

(3)两种散热方式对比自然散热没有风扇，噪声低，但散热速度慢，一般用于小功率的逆变器，强制风冷要配置风扇，噪声大，但散热速度快，一般用于大功率的逆变器，在中功率的组串式逆变器，两种方式都有。通过组串式逆变器散热能力对比实验发现，50kW功率等级以上的组串式逆变器，强制风冷的散热效果要优于自然冷却散热方式，逆变器内部电容、IGBT等关键部件温升降低了20℃左右，可确保逆变器长寿命高效工作;而采用自然冷却方式的逆变器温升高，元器件寿命降低。

强制风冷也有采用高速风扇和中速风扇两种。采用高速风扇可以减少散热器的体积和重量，但会增加噪声，风扇寿命也比较短;采用中等调速风扇，散热器稍微大一些，但是在低功率时，风扇不转，在中功率时风扇低速运行。实际是逆变器满功率运行时间不是很多，因此风扇的寿命可以很长。

3、系统安装时要注意散热方面的事情

逆变器本身是一个发热源，所有的热量都要及时散发出来，不能放在一个封闭的空间，否则温度会越升越高。逆变器要放在一个空气流通的空间，要尽量避免阳光直射。多台逆变器装在一起时，为了避免相互影响，逆变器和逆变器之间要留有足够的距离。