光伏逆变器中的黑科技—散热设计

光伏逆变器是光伏系统非常重要的一个设备，主要作用是把光伏组件发出来的直流电变成交流电，除此之外，逆变器还承担检测组件、电网、电缆运行状态，和外界通信交流，系统安全管家等重要功能。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、散热设计、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

现在是寒冬季节，很多人都在担心逆变器能不能挨冻，实际上，很少有逆变器有被冻坏的，逆变器最重要的问题是热的问题，通过世界上著名调查BCC报告，目前大部分电子产品失效的55%的原因是由于散热做得不好，电子器件工作的可靠性对温度却十分敏感，器件温度在70-80度水平上每增加1度，可靠性就会下降5%。温度过高将会使逆变器的寿命缩短，机器可靠性降低。

2、逆变器散热的几种方式

散热系统占了逆变器硬成本的15%左右。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：一是自然散热，二是强制风冷。

（1） 自然散热

自然散热的冷却方法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。目前单相逆变器和30kW以下的三相逆变器，大部分厂家都可以实现自然散热，少部分厂家100kW的三相逆变器也可以实现自然散热。

（2）强制散热

强制散热的冷却方法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、逆变器散热设计

逆变器散热系统主要任务是：选择合理的散热和冷却方法，设计有效的散热系统,把电子元器件的温度控制在规定的数值之下,在热源至外部环境之间提供一条低热阻通道,以确保热量能够顺利地散发出去。

（1）损耗计算

要设计散热系统，首先要计算逆变器的热量，逆变器主要产生热量的器件是功率开关管和滤波电感，变压器。其中变压器和电感的效率可以和生产厂家协商定制。功率开关管的损耗可以由软件仿真计算出来，其损耗大小和输出电流，直流电压，功率因数，过载系数，调制系数，输出频率有关。

英飞凌公司的损耗仿真软件是IPOSIM。拥有友好的界面，容易使用，功能丰富，不需要其它软件平台来支持运行等很多优点。它能够计算基于正弦输出电流条件下IGBT和续流二极管的导通损耗和开关损耗，进而分析其温度特性。

（2）、冷却方法选择

电子设备的热设计,首先要从确定设备的冷却方法开始,冷却方法的选择应根据热流密度、温升要求、可靠性要求以及尺寸、重量、经济性和安全性等因素,选择最简单、有效的冷却方法。根据热流密度和温升要求选择加散热片强迫风冷。强迫风冷散热工作可靠、易于维修保养、成本相对较低,是一种较好的冷却方法，所以在需要散热的电子设备冷却系统中被广泛采用，同时也是高功率器件采取的主要冷却形式。

（3）热设计步骤

对于具有散热器的强迫风冷散热设计比较复杂,以下就这种相对复杂的情况给出基本方法和步骤：

A、综合考虑设备结构、风压、成本和散热效率等因素,并结合热仿真软件仿真结果,确定散热器结构参数；

B、由发热量并根据热平衡方程, 初步确定风机；

C、利用风机和设计合理的风道对整机进行热设计；

D、 利用热仿真软件进行热设计仿真，若最终确定的元器件温度超过了允许值，则还需调整散热器结构参数、重新选择风机并重复上述步骤。最终的设计使机箱内各器件温度控制在允许值以下，并达到散热系统的最优化。

（4）散热器设计

散热器的设计要综合考虑电子设备的结构要求、成本、风压、散热效率和加工工艺等条件。散热器的肋片以薄为宜，但过薄则加工困难。在散热器外形尺寸一定时，肋片间距越小则热阻越小，但间距过小会增大风阻，反而影响散热。增大肋片高度可增大散热面积，也就是可增大散热量。但对于等截面直肋，肋片高度增加到一定程度后，传热量就不再增加了，若再继续增加肋高，则会导致肋片效率急剧下降，并且会增大风阻。

（5）整机风道设计

风道设计的基本原则如下：

A、应尽量增大穿过散热器肋片间的空气流量和流速，以提高散热效果；

B、要减少风道风阻,以防止气流的压力损失过大；

C、出口风道还应保证热气流能顺利排出。

（6）热设计仿真

常用的热仿真软件有Flotherm，FloEFD，Icepak，和 6SigmaET等，利用软件可比较真实地模拟系统的热状况，在设计过程中就能预测到各元器件的工作温度值，这样就可纠正不合理的布排，取得良好的布局，从而缩短设计的研制周期，降低成本，提高产品一次成功率。可以对电子设备进行有效的热控制，使它在规定的温度极限内工作，从而可以提高电子设备的可靠性。

4、逆变器最新散热技术

随着电子技术的向前发展，逆变器在散热方面也取得了很大的进步，逆变器的体积因此可以做到越来越小，重量越来越轻，价格也越来越便宜。

（1）多电平技术：功率器件两端的电压越高，内阻越高，开关频率越高，损耗就越大，近年来推出的三电平，五电平结构，电压只有二电平的一半或者四分之一，开关频率也可以减少到二电平的一半或者四分之一，因此多电平技术可以减少损耗。

（2）软开关技术：应用谐振原理，使得开关器件中的电流或者电压按正弦或者准正弦规律变化，当电流自然过零时，关断器件；当电压自然过零时，开通器件。从而减少了开关损耗，同时极大地解决了感性关断，容性开通等问题。软开关通过检测开关管的电流或者其他技术，做到当开关管两端的电压或流过开关管的电流为零时才导通或者关断，这样开关管不会存在开关损耗。

（3）分腔管理：逆变器中最容量受温度影响的器件是传感器，运放，电解电容等器件，功率开关管、电感、电缆等器件比较耐高温，一般采用采用分腔的方法隔开发热元器件，将发热器件功率电感放在逆变器外面，降低机箱内温度。整体式外壳结构，散热器与外壳直接紧密连结，让铝合金外壳通过两条路径参与散热，从而降低了逆变器内部温度和元器件温度，从而保证了元器件和逆变器更长的使用寿命。

（4）新的材料：如利用碳化硅材料的IGBT，内阻可以做得很低，从而减少损耗。

5、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。