基于ICEPAK热仿真的光伏逆变器结构优化
责任编辑:我才不是小海绵     时间:2021-07-16     来源:转载于 技术邻
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[ 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(图2)”固定在散热器上。

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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。

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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。

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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

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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

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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。

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2种散热方案具体的对比见下表:

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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。

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

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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。

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使用3个8025风扇的整机热仿真温度场

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散热器翅片间的速度场分布

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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。

 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。

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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。

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散热器翅片间的速度场分布

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3种结构的计算结果对比:

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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. 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。


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