面向散热仿真分析的大功率光伏逆变器的结构设计

面向散热仿真分析的大功率光伏逆变器的结构设计石 飞 任光升陕西长岭光伏电气有限公司[摘要 ] 提出一种从产品初期的整体性框架设计开始，到产品最终定型之前的每个阶段都将热设计仿真考虑其中的设计理念，并结合逆变器的设计加以解释说明。[关键词 ]热设计； Flotherm 仿真；逆变器；引言随着光伏行业的高速发展， 市场对光伏系统中起主导作用的逆变器的可靠性、 稳定性要求越来越高， 而激烈的市场竞争使得逆变器的功率密度越来越高， 这就对逆变器系统的热设计提出更高要求。 而以往根据样机阶段的散热数据对整机的结构布局、 散热方式的改进所产生的效率低、 周期长等问题对及时地响应市场需要产生阻碍。 面向散热仿真分析的结构设计就要求热设计工程师结合散热仿真软件、 后期实验数据来提升研发效率， 压缩研发周期以提升竞争白热化的逆变器市场的行业竞争力。1 设计理念从技术层面而言， 在逆变器研发流程中， 从产品初期的整体性框架设计开始， 到产品最终定型之前的每个阶段， 都要将散热设计归并其中， 并根据样机的实验数据， 对样机进行优化调整。图 1 面向散热仿真分析的结构设计思路2 设计方法这里采用电子设备热设计的常用软件 Mentor Graphics 公司的 Flotherm9.1 ，以常用于荒漠电站的大功率 500kw 逆变器为例， 对其产品研发流程及其中相应的热技术问题进行分析、研究。 Flotherm 采用先进的有限体积法求解器， 可以在三维结构模型中同时模拟电子系统的热辐射、热传导、热对流以及流体温度、流体压力、流体速度和运动矢量等，从而直观地、精准地提高设计效率。从 PCB板的热设计和散热模块的设计优化开始介入，经过机柜等系统级散热方案的选择及优化、 散热器件的选型， 最终根据分站房等大环境的热分析来定型产品。2.1 板级和模块级 PCB板的热设计和散热模块的设计优化电气工程师对 PCB板进行设计时，通常缺乏热设计意识。由于 PCB板布线密度越来越大、热流密度越来越高，这就对 PCB的铜箔分布、器件排布提出更高要求，而不能仅仅只依靠增加散热手段等推高产品成本、降低产品可靠性的方式来满足 PCB板的散热。所以，在 PCB板设计过程中，采用 Flotherm 优化铜箔分布、改善器件排布就显得至关重要。在实际的逆变器 PCB板设计中，一方面由于板子上芯片的封装细节不可知而造成详细建模相当困难，另一方面，逆变器中主要的印制板 DSP板与 CPLD板并无太多高热耗器件，所以不推荐使用高级精度建模。只需利用 Flotherm 对板子进行中级精度建模仿真、优化，从而保证铜箔分布和器件的排布不会在 PCB板上产生局部温度过高的热区便可。逆变器热设计的核心就在于功率模块的热设计， 500kw 逆变器的功率密度级别， 一般采用强制风冷的散热方式。 通常根据实际 IGBT的热耗及相应的空间布局， 确定散热器的类型、规格。 实际应用中为保证散热效率同时压低成本一般采用型材式或插片式散热器。 然后利用下式计算出所需风量 L，最后根据模块所需风量选定散热风机。L Qρ Cpt式中 L 为冷却空气流量， m3； Q 为器件发热量， kW ；ρ为空气密度， kg/ m 3 Cp 为空气比热， kJ/kg℃ ；Δ t 为进出口温差，℃在接下来的 Flotherm 仿真中，利用 Command Center 对功率模块中的散热器具体尺寸、PCB板的器件布局、通风口位置及形状、风扇选型及安装位置等各种设计方案进行优化，以进一步提高散热效率，降本增效。图 2 功率模块散热示意图2.2 系统级机柜散热方案的选择及优化在大功率逆变器的系统级热设计中， 主要考虑模块及系统的风路、 器件排布的优化。 将接触器、滤波器等器件，利用集总参数法进行建模，仿真运行。利用 Flotherm 的动态后处理模块 Flomotion 观察空气流向、物体表面温度分布、进出口风压等参数，保证功率模块中IGBT的结温不高于设计要求，对机柜中出现热沉、窝风的地方进行调整优化。图 3 整机通风散热示意图2.3 环境级站房等大环境的热分析对于大型荒漠电站，通常的方案是每个 1MWp 的分站房中放置两台 500kw 逆变器，通过设计相应的风道， 利用风机将逆变器散发的热量导出至室外。 如果风道设计不合理、 风机选型不匹配，会造成热量沉积， 影响逆变器的正常工作， 设计余量过裕又会造成浪费， 所以依据 Flotherm 对逆变器整机置于分站房中的散热情况进行环境级的分析显得至关重要。图 4 站房通风散热示意图结语这种面向散热仿真分析的设计理念与传统的设计方法相比较， 减少产品设计修改、 缩短产品研发周期， 将由于热设计所引发的设计修改集中在产品开发的前期， 避免定型阶段的反复修改所带来的工艺性差、成本高、 周期长等问题， 从而从根本上节约降本、 同时保证产品的可靠性及稳定性。参考文献[1] 赵惇殳 .电子设备热设计 [M]. 北京电子工业出版社， 2009. [2] 王健石，胡克全，等 .电子设备结构设计手册 [M]. 北京中国标准出版社， 1993. [3] Johannes.Adam.使用 FLOTHERM进行电子散热仿真 [M]. 上海 Flotherm 上海代表处，2006.