陶高周，陸 游，周 杰

(陽光電源股份有限公司， 安徽 合肥 230088)

小功率光伏逆變器自然對(duì)流散熱研究*

陶高周，陸 游，周 杰

(陽光電源股份有限公司， 安徽 合肥 230088)

小功率光伏逆變器防護(hù)等級(jí)要求達(dá)到IP54甚至更高，若使用風(fēng)扇，則會(huì)降低系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。自然對(duì)流散熱技術(shù)為解決此類問題提供了技術(shù)途徑。文中對(duì)采用自然對(duì)流散熱方式的12 kW小功率光伏逆變器進(jìn)行合理簡化和等效處理，建立仿真模型，利用商業(yè)軟件ICEPAK進(jìn)行數(shù)值仿真，根據(jù)樣機(jī)測(cè)試結(jié)果對(duì)仿真模型進(jìn)行優(yōu)化，并通過樣機(jī)實(shí)驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合較好，精度較高，可作為小功率逆變器自然對(duì)流散熱設(shè)計(jì)的參考。

自然對(duì)流；散熱器；光伏逆變器；熱仿真

引 言

據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，電子元器件的溫度每升高2 ℃，可靠性下降10%，溫升為50 ℃，壽命只有25 ℃時(shí)的1/6[1]。因此，必須對(duì)電子元器件進(jìn)行有效散熱才能保障器件可靠工作[2]?？梢?，散熱問題越來越成為影響電子技術(shù)發(fā)展的重要因素，對(duì)于電力電子行業(yè)更是如此。

隨著光伏逆變器電力電源技術(shù)日益發(fā)展和市場(chǎng)需求不斷變化，對(duì)小功率光伏逆變器散熱的可靠性和穩(wěn)定性要求越來越高。同時(shí)，市場(chǎng)競(jìng)爭加劇，用于散熱設(shè)計(jì)的研發(fā)成本和材料成本也在逐漸壓縮，這就給熱設(shè)計(jì)工程師提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。尤其是一些戶外型小功率光伏逆變器，工作環(huán)境惡劣且復(fù)雜多變，不僅要求通風(fēng)散熱性能穩(wěn)定、可靠，還要求具有良好的防護(hù)等級(jí)，一般要求防護(hù)等級(jí)在IP54以上，相互矛盾的要求給熱設(shè)計(jì)帶來很大的困難。

對(duì)于此類問題，傳統(tǒng)的做法是，采用防護(hù)(防水、防塵等)等級(jí)高的風(fēng)扇加強(qiáng)散熱。盡管這種方式具有很好的散熱效果，但是，在惡劣的工作環(huán)境下，風(fēng)扇的維護(hù)仍是一項(xiàng)不可避免的工作，在一定程度上，不僅增加成本，同時(shí)也降低產(chǎn)品的壽命指數(shù)。作為被動(dòng)散熱方式的自然對(duì)流散熱，具有可靠性高、免維護(hù)、穩(wěn)定性好、無噪音、無功耗、無運(yùn)動(dòng)件等諸多優(yōu)點(diǎn)，為解決此類問題提供了新的技術(shù)途徑。

然而，相對(duì)風(fēng)冷散熱，自然對(duì)流散熱影響因素要多而復(fù)雜，且仿真精度不能滿足設(shè)計(jì)要求，勢(shì)必給逆變器的設(shè)計(jì)增加難度。另外，功率管熱流密度大，使得自然對(duì)流散熱措施實(shí)現(xiàn)起來比較困難。

通過一款小功率逆變器的設(shè)計(jì)，提出增加仿真精度和提高仿真效率的方法，利用商業(yè)軟件ICE-PAK進(jìn)行仿真，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)仿真結(jié)果和測(cè)試數(shù)據(jù)的吻合，仿真結(jié)果可作為小功率逆變器自然對(duì)流散熱的設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 小功率逆變器散熱簡介

如圖1所示，采用自然對(duì)流散熱的12 kW小功率光伏逆變器分為前箱體和后箱體。前箱體密封，用于放置功率模塊、PCB(印刷電路板)、控制電路等元件。后箱體開放，用于放置自然對(duì)流散熱器和電感，電感位于散熱器下部。前箱體和后箱體通過隔板隔開。前箱體密封，防護(hù)等級(jí)IP54以上，以避免水和灰塵進(jìn)入前機(jī)箱。后箱體開放，利于散熱器與外界環(huán)境充分接觸，進(jìn)行有效的自然對(duì)流散熱和輻射散熱。

圖1 小功率光伏逆變器結(jié)構(gòu)

在進(jìn)行小功率逆變器設(shè)計(jì)時(shí)，功率管殼溫是關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)器件壽命和性能影響較大，需通過軟件進(jìn)行仿真模擬，給出合理的設(shè)計(jì)參數(shù)。同時(shí)，為了控制散熱余量、降低成本、提高散熱器效率，實(shí)現(xiàn)降低重量和減小體積的目標(biāo)，還需對(duì)散熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高散熱器利用率。目前存在的問題是仿真精度不高、散熱器利用率低等問題。

仿真誤差主要包括以下幾個(gè)方面：

1)數(shù)學(xué)模型離散化產(chǎn)生的離散誤差。流動(dòng)與傳熱的偏微分方程須進(jìn)行離散化處理，轉(zhuǎn)化成代數(shù)方程組方能進(jìn)行求解。然而，無論通過何種途徑進(jìn)行偏微分方程的離散化，都做了近似處理，因而不可避免地引入誤差[3]。

2)迭代計(jì)算過程中產(chǎn)生的舍入誤差。舍入誤差大小取決于所采用的計(jì)算方法和所用計(jì)算機(jī)的字長[3]。

3)物理模型的建模誤差。實(shí)際工程中遇到的物理模型較為復(fù)雜，若不進(jìn)行簡化和等效處理，無法進(jìn)行求解計(jì)算，簡化和等效必然帶來一定的誤差。

4)物理模型離散化誤差，即物理模型網(wǎng)格化產(chǎn)生的誤差。

對(duì)于離散誤差、舍入誤差、物理模型網(wǎng)格化誤差，可以通過采用更加合適的求解模型、更高級(jí)的計(jì)算設(shè)備、提高網(wǎng)格質(zhì)量等減小誤差，但無法完全消除。對(duì)于建模誤差，也可通過合理的等效和簡化降低誤差。

優(yōu)化散熱的前提是仿真結(jié)果精度的提高。為此，首先需要對(duì)模型進(jìn)行合理的簡化和等效，再選用合適的計(jì)算模型，在保證精度的前提下縮短仿真時(shí)間，提高產(chǎn)品開發(fā)效率。

2 CFD仿真模型

2.1 物理模型

功率器件如IGBT、MOS管、二極管等關(guān)鍵器件需重點(diǎn)關(guān)注，應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)建模。功率器件內(nèi)部各種材料的物性通常難以獲得，慣用的做法是將晶元和銅基板之間的各材料層等效為一層熱阻，在穩(wěn)態(tài)計(jì)算時(shí)，可以大大降低網(wǎng)格數(shù)，產(chǎn)生的誤差可以接受。因此，銅基板物性、結(jié)殼熱阻、晶元大小以及封裝材料等成為影響功率器件散熱的主要因素，需要準(zhǔn)確給出。功率器件與散熱器之間的導(dǎo)熱硅脂，采用真實(shí)物理模型，即給定導(dǎo)熱硅脂厚度及其物性參數(shù)。

在只關(guān)注功率器件散熱的情況下，PCB可采用導(dǎo)熱各向異性的均一材料等效，根據(jù)PCB銅層和FR4含量計(jì)算出等效的各向異性導(dǎo)熱系數(shù)。電感熱耗大，溫度較高，將對(duì)逆變器其他器件產(chǎn)生不利影響，仿真時(shí)將電感等效為材料、熱耗均勻的柱體，既考慮了電感熱耗對(duì)其他器件的影響，又避免電感詳細(xì)建模帶來的網(wǎng)格數(shù)量過多、計(jì)算效率低等問題。機(jī)箱內(nèi)部走線及其損耗也面臨難以建模的困難，處理方法是，在建模時(shí)，將其熱耗累加至PCB上，以降低忽略走線損耗所導(dǎo)致的仿真誤差。

機(jī)箱殼體及內(nèi)部結(jié)構(gòu)件的物性同樣會(huì)影響計(jì)算精度。尤其是機(jī)箱殼體，往往會(huì)在表面做噴涂或噴塑處理，表面噴涂或噴塑厚度從幾十微米至幾百微米不等。這種處理不僅改變了機(jī)箱殼體的導(dǎo)熱性能，也改變了表面的輻射性能。通過仿真和測(cè)試，得出不同表面處理的導(dǎo)熱系數(shù)和輻射性能。

經(jīng)過上述簡化和等效以后，建立仿真模型如圖2所示。圖3為TO247封裝的功率管在散熱器上的分布及命名。

圖2 小功率逆變器仿真模型

圖3 功率管在散熱器上的分布及名稱

2.2 自然對(duì)流換熱數(shù)學(xué)模型

從對(duì)流換熱連續(xù)性方程、N-S方程(納維-斯托克斯方程)和能量守恒方程出發(fā)，依據(jù)量級(jí)分析，對(duì)方程組進(jìn)行合理簡化，可以得到重力場(chǎng)條件下的自然對(duì)流換熱微分方程組[4]：

連續(xù)性方程

(1)

動(dòng)量方程

(2)

能量方程

(3)

式中：x、y表示坐標(biāo)；u、v分別表示x、y方向的速度；g為重力加速度；ρ為空氣密度；ρ0為參考點(diǎn)密度；υ為空氣運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)；T為溫度；α表示熱擴(kuò)散系數(shù)。

布西涅斯克近似表述如下：

(4)

可得：

ρ0-ρ≈ρβ(T-T0)

(5)

式中：P為氣體壓強(qiáng)；β為氣體膨脹系數(shù)；T0為參考點(diǎn)溫度。從而，可聯(lián)立(1)、(2)、(3)、(5)式求解方程組。

不可壓縮理想氣體假設(shè)認(rèn)為，在自然對(duì)流中，壓力變化很小，可以忽略，而溫度是引起密度變化的唯一變量。通過理想氣體狀態(tài)方程進(jìn)行修正，可得：

(6)

式中：Pop為參考點(diǎn)氣體壓強(qiáng)；R為摩爾氣體常數(shù)；M是物質(zhì)的摩爾質(zhì)量。聯(lián)立(1)、(2)、(3)、(6)式，構(gòu)成封閉方程組，可進(jìn)行求解。

同時(shí)，ICEPAK給出上述2種處理方法的適用條件：當(dāng)滿足式(7)時(shí)，采用布西涅斯克近似，否則采用不可壓縮理想氣體假設(shè)。

β(T-T0)<<1

(7)

2.3 輻射模型

仿真軟件ICEPAK給出3種輻射模型：

1)面對(duì)面輻射模型(S-S)；

2)離散坐標(biāo)輻射模型(DO)；

3)光線追蹤輻射模型(Ray Tracing)。

S-S模型是ICEPAK軟件推薦選用的輻射模型；DO模型適用于幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜、面元較多、輻射視角系數(shù)不方便計(jì)算的情況；Ray Tracing模型適用于幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜且溫差較大的情況。本文根據(jù)模型適用條件，選用S-S模型，這也是ICEPAK強(qiáng)烈推薦選用的模型。這里僅簡要介紹一下S-S模型。S-S模型基于下列2點(diǎn)假設(shè)：

1)灰體假設(shè)。根據(jù)該假設(shè)，吸收率與波長無關(guān)，即與外部投入輻射無關(guān)[5]。

2)漫射假設(shè)。漫射表面輻射發(fā)射及接收與方向無關(guān)[5]。

另外，根據(jù)基爾霍夫定律，對(duì)于漫射的灰體表面，發(fā)射率ε與吸收率α相等。這些假設(shè)和簡化對(duì)大多數(shù)工程材料而言，所引起的誤差是容許的，而這樣的簡化處理能給輻射換熱計(jì)算帶來很大的方便。

根據(jù)S-S模型，離開表面的輻射能量包括表面的自身輻射和反射外界的投入輻射2部分：

qout,k=εkσT4k+ρkqin,k

(8)

式中：qout,k為離開表面k的總輻射能；qin,k為來自周圍其他表面的投入輻射能；Tk為表面k的溫度；εk為表面k的發(fā)射率；ρk為表面k的反射率；σ為Stefan-Boltzmann常數(shù)。

投入輻射與周圍其他表面的總輻射存在如下關(guān)系：

(9)

式中：Aj、Ak分別為表面j和k的面積；Fjk為表面j對(duì)表面k的視角系數(shù)。根據(jù)視角系數(shù)相對(duì)性，

AjFjk=AkFkj(j=1,2,3,…,N)

(10)

式(10)代入式(9)，可得：

(11)

式(11)代入式(8)，可得輻射能量平衡方程：

(12)

因此，給出發(fā)射率ε、反射率ρ、視角系數(shù)F及表面溫度T，聯(lián)立N個(gè)形如式(12)的方程組，即可進(jìn)行輻射能量平衡計(jì)算。

3 仿真計(jì)算及分析

3.1 環(huán)境條件

逆變器外部環(huán)境溫度為45 ℃，自然對(duì)流換熱系數(shù)采用流固耦合計(jì)算，陽極氧化后的散熱器表面輻射系數(shù)0.8，機(jī)箱表面輻射系數(shù)0.15。求解區(qū)域尺寸如圖4所示，L為逆變器最大外形尺寸。

圖4 自然對(duì)流求解區(qū)域

3.2 主要尺寸

逆變器機(jī)箱外形尺寸為670 mm × 520 mm × 200 mm(高×寬×厚)。散熱器外形尺寸為325 mm × 475 mm ×80 mm(高×寬×厚)。

3.3 器件損耗

各元器件的功耗見表1，表中MOSFET、IGBT、二極管均為TO247封裝。功率器件名稱及布局如圖3所示。

表1 各元器件功耗

3.4 材料屬性

該逆變器中，涉及鋁、不銹鋼、銅、塑料、FR4、導(dǎo)熱硅脂等材料。表2為各種材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

表2 各種材料的導(dǎo)熱系數(shù)

需要說明的是，為了方便測(cè)試，將功率管殼溫定義在功率器件的側(cè)壁上，如圖5所示。利用商業(yè)軟件ICEPAK進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖5 TO247功率管殼溫測(cè)點(diǎn)位置

文獻(xiàn)[6]提供了自然對(duì)流散熱器的優(yōu)化方法，據(jù)此，對(duì)本文逆變器所采用的散熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最大限度地提高散熱器效率，降低散熱器尺寸。圖6為散熱器溫度仿真結(jié)果。圖中，右側(cè)Q1～Q6單個(gè)器件熱耗較高，散熱器右側(cè)溫度高于左側(cè)，左側(cè)由于單個(gè)功率管熱耗相對(duì)較小，溫度偏低一些。盡管如此，散熱器左右溫差僅為7.6 ℃，不會(huì)對(duì)功率器件產(chǎn)生不利影響，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 散熱器溫度分布

測(cè)試時(shí)將樣機(jī)置于高低溫實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)，溫度設(shè)定為45 ℃，采用Agilent 34970A數(shù)據(jù)采集儀，配合OMEGA的K型熱電偶(型號(hào)TT-K-36，量程-200 ℃～260 ℃。誤差限-200 ℃～0 ℃:2.2 ℃；0 ℃～260 ℃:0.75%F.S)，進(jìn)行溫度測(cè)量，并通過Agilent 34970A自帶的數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和顯示，以1 h內(nèi)溫度變化小于1 ℃作為溫度穩(wěn)定判據(jù)。

圖7為仿真與測(cè)試之間的誤差。圖中可以看出，大部分功率管殼溫誤差為±3 ℃，最大誤差出現(xiàn)在ST1管，為4.6 ℃。產(chǎn)生誤差的主要原因，除了離散誤差和舍入誤差等難以避免外，仿真模型沒有考慮功率管針腳傳熱和器件殼體輻射換熱的影響，這也會(huì)帶來一定的計(jì)算誤差。增加功率管針腳的傳熱影響，一定程度上可以提高計(jì)算精度，然而，這必然會(huì)提高模型的復(fù)雜度，增加開發(fā)人員的工作負(fù)荷和仿真周期。功率管外殼表面輻射面積較小，輻射能量不大，對(duì)仿真溫度影響小。另外，3 ℃～5 ℃的仿真誤差完全可以滿足工程設(shè)計(jì)的需求。因此，平衡利弊，忽略功率管針腳傳熱和功率器件外殼輻射換熱的影響。

圖7 功率管殼溫誤差

4 結(jié)束語

自然對(duì)流散熱方式具有可靠性高、免維護(hù)、穩(wěn)定性高、無噪音、無功耗等優(yōu)點(diǎn)，被越來越多地用于惡劣環(huán)境條件下的通信和電力設(shè)備。準(zhǔn)確把握散熱余量，對(duì)提高系統(tǒng)散熱效果、控制散熱成本有著至關(guān)重要的作用。

本文針對(duì)一款小功率光伏逆變器實(shí)施自然對(duì)流散熱設(shè)計(jì)。首先，對(duì)仿真影響較小的器件，提出相應(yīng)的合理等效和簡化方法，在保證精度的前提下，提高仿真效率，節(jié)約產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間；其次，為了給出關(guān)鍵器件的散熱情況，對(duì)關(guān)鍵器件進(jìn)行了詳細(xì)建模；再者，根據(jù)仿真結(jié)果和測(cè)試結(jié)果，選取合適的自然對(duì)流模型(“布西涅斯克近似”或“不可壓縮理想氣體假設(shè)”)，以提高仿真精度。利用商業(yè)軟件ICEPAK進(jìn)行模擬，通過仿真結(jié)果與測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比，逐步優(yōu)化仿真模型，提高仿真精度，縮短仿真周期。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，約70%的器件，其仿真溫度的誤差小于3 ℃，其他器件最大誤差不超過5 ℃。仿真結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確度，說明熱仿真可信度高，可為產(chǎn)品開發(fā)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

[1] BILLINGS K. 開關(guān)電源手冊(cè)[M]. 張占松, 汪仁煌, 謝麗萍, 譯. 北京: 人民郵電出版社, 2006: 500-501.

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[3] 陶文銓. 數(shù)值傳熱學(xué)[M]. 2版. 西安: 西安交通大學(xué)出版社, 2006: 48-52.

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[6] 李玉寶, 王建萍, 呂召會(huì). 矩形肋片散熱器幾何參數(shù)對(duì)散熱的影響分析[J]. 電子機(jī)械工程, 2012, 28(2): 4-7.

陶高周(1971-)，男，高級(jí)工程師，碩士，主要從事光伏逆變器結(jié)構(gòu)及散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。

陸 游(1986-)，男，工程師，碩士，主要從事電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)工作。

周 杰(1979-)，男，工程師，碩士，主要從事電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)工作。

Study on Natural Convection Cooling of Low Power PV Inverter

TAO Gao-zhou，LU You，ZHOU Jie

(SungrowPowerSupplyCo.,Ltd.,Hefei230088,China)

Protection level of low power PV inverters is required to reach IP54 or higher. If fans are applied, the reliability and stability of the system will decrease. The technology of natural convection cooling provides technical ways to solve such problems. In this paper, 12 kW low power PV inverter is reasonably simplified, so that a simulation model is built and simulated with commercial software ICEPAK. The simulation model is optimized according to the results of prototype test and the simulation results are validated through prototype experiment. It is found that simulation results accord well with experiment data, and bring on high precision, which can be used as thermal design reference for natural convection cooling of low power PV inverters.

natural convection; heat sink; PV inverter; thermal simulation

2014-02-27

TN305.94；TM464

A

1008-5300(2014)03-0019-05