基于ICEPAK熱仿真的光伏逆變器結構優化

2017-06-06  by:CAE仿真在線  來源:互聯網

[ 摘 要 ] 本文以獲得最優的整機結構布局為目標,采用ICEPAK軟件對若干型號的光伏逆變器進行了熱設計。首先介紹了相變導熱墊片在光伏逆變器散熱方案中的應用,根據熱仿真結果證實了比原始方案“陶瓷墊片”具有更好的工藝性和價格優勢、更小的溫升。接著利用ICEPAK出色的溫度/流體場解算能力,闡述了如何利用熱仿真結果輔助某型三相光伏逆變器調整機械設計,最終達到結構優化的過程。

1. 前言

機械設計是光伏逆變器整機研發的重要內容,而光伏逆變器本身的結構特點決定了大部分機械件的總體尺寸、空間布局、形狀暨材質選擇又取決于整機熱設計。傳統的熱設計方法有解析法和實驗法。由于在實際產品中熱傳輸途徑非常復雜,解析法通常僅具有理論上的指導意義而難以滿足工程實際需求。實驗法雖然具有準確度高的優點,但是卻有耗時長、成本高及難以探測系統內部溫度等缺點。而基于流體力學、傳熱學、數值分析的現代熱仿真技術是一種高技術、高速度、低成本的方法,它對優化光伏逆變器的熱設計、為機械設計提供合理方向具有重要指導意義。隨著商用數值仿真軟件的完善,熱仿真技術得到了越來越廣泛的應用。本文通過產品實例,介紹了利用行業領先的Icepak軟件熱仿真來指導光伏逆變器結構優化。仿真結果都經過實際產品的實驗驗證,誤差均較小,表明Icepak具有較高的工程實用價值。

2. 相變導熱墊片的應用

某型單相組串光伏逆變器早期散熱方案如圖1,熱源為BOOST側晶體管和逆變側晶體管,晶體管與散熱器間為2mm厚陶瓷墊片。為獲得更好的導熱效果,陶瓷墊片兩個底面要預先涂導熱膏。在安裝時為定位各陶瓷墊片,又需要事先將2個“陶瓷墊片定位塑料框”固定在散熱器上。

此方案需為“陶瓷墊片定位塑料框”開注塑模,因此提出改進方法:在散熱器對應陶瓷墊片的位置銑16個凹槽,用來放置陶瓷墊片,見圖3。

稍后,為消除“銑16個凹槽”的工序,再次更改方案為:在箱體鈑金上對應陶瓷墊片的位置沖孔,用來放置陶瓷墊片,見圖4。

以上3種方案均要使用導熱膏,在裝配現場易造成臟污,而且整機裝配工藝復雜。

“陶瓷墊片+導熱膏”組合上世紀50年代開始使用。為避免使用導熱膏,上世紀80年代業界發明了彈性導熱墊片,但在導熱性能上稍遜于陶瓷墊片。本世紀初相變導熱墊片開始投入實用。經熱阻測試(1),同樣面積同樣壓力時,“陶瓷墊片+導熱膏”組合的熱阻大于相變導熱墊片。

最終的散熱方案采用某型號相變導熱墊片,如圖5。不再使用導熱膏和陶瓷墊片定位塑料框(或散熱器銑槽,箱體挖孔),也無需額外的工裝和模具。相變導熱墊片可局部帶背膠,可牢固準確地附著在散熱器上。晶體管殼溫到達一定數值時,相變導熱墊片軟化并充滿晶體管殼與散熱器間的空氣間隙。圖6為采用陶瓷墊片的整機熱仿真結果,散熱器最高溫度79.88°C,晶體管最高結溫104.278°C。圖7為初始條件相同時采用相變墊片的整機熱仿真結果,散熱器最高溫度79.86°C,最高結溫102.09°C。

2種散熱方案具體的對比見下表:

	陶瓷墊片			相變墊片
	箱體鈑金挖孔	散熱器銑槽	陶瓷墊片定位塑料框
零件數量(整機)	陶瓷墊片16個, 導熱膏若干。	陶瓷墊片16個, 導熱膏若干。	陶瓷墊片16個,陶瓷墊片定位塑料框2個,導熱膏若干。	相變墊片 2個
模具	陶瓷墊片燒制模 1套	陶瓷墊片燒制模 1套	陶瓷墊片燒制模 1套; 陶瓷墊片定位塑料框注塑模 1套	無
工裝	陶瓷墊片兩面導熱膏涂覆工裝	陶瓷墊片兩面導熱膏涂覆工裝	陶瓷墊片兩面導熱膏涂覆工裝	無
散熱器機加工	無	銑16個陶瓷 墊片容納槽	陶瓷墊片定位塑料框 固定螺釘孔	無
生產工藝性	陶瓷墊片兩面涂導熱膏; 逐個放置陶瓷墊片	陶瓷墊片兩面涂導熱膏; 逐個放置陶瓷墊片	固定陶瓷墊片定位塑料框; 陶瓷墊片兩面涂導熱膏; 逐個放置陶瓷墊片	放置相變墊片(利用自帶背膠粘附于散熱器)
可靠性隱患	固定晶體管時壓裂陶瓷墊片	固定晶體管時壓裂陶瓷墊片	固定晶體管時壓裂陶瓷墊片	無

由以上分析可見,采用相變導熱墊片后,散熱效果更好,而組裝消耗工時更低。

圖1 陶瓷墊片方案

圖2 陶瓷墊片定位塑料框

圖3

圖4

圖5 相變導熱墊片方案

圖6 陶瓷墊片方案散熱器溫度場

圖7 相變導熱墊片方案散熱器溫度場

3. 熱仿真輔助三相光伏逆變器結構優化

3.1豎直風道方案

某型3相17kW光伏逆變器早期方案整機結構如圖8,安裝形式為掛墻安裝,背面外觀如圖9。風扇向上吹風。逆變側IGBT模塊和8個BOOST晶體管安裝在主散熱器,另外8個BOOST晶體管安裝在輔助散熱器上。BOOST電感盒和逆變電感盒豎直安裝在箱體背面左右兩側。為獲得更大通風量,散熱器框頂部全部面積打孔,過孔率60%。初始條件環境溫度40°,1個大氣壓。初始方案使用2個8025風扇。整機熱仿真溫度場見圖10。

圖8

圖9

圖10

使用3個8025風扇的整機熱仿真溫度場見圖11。

散熱器翅片間的速度場分布見圖12。

綜合觀察圖9~12,可發現豎直風道有以下不足:(1)圖9中根據流體力學理論,風扇應盡量上移靠近主散熱器以獲得更大風量,但上移過多則沒有風掠過2個電感盒,而且結構上很難實現風扇的可快速更換要求。(2)散熱器的熱源位于氣流末端,散熱器氣流入口處部分材料未得到充分利用,見圖10和11的散熱器藍色部分。(3) 圖12中,由于BOOST電感盒的阻擋,輔助散熱器上的最左側4個BOOST晶體管(黃色線標示)下方的翅片,僅有少量的氣流掠過。(4)水平安裝的風扇板積灰嚴重。

圖11

圖12

3.2 水平風道方案

改進型光伏逆變器采用水平風道,整機結構如圖13,安裝形式為掛墻安裝,背面外觀如圖14。風扇安裝在BOOST側,向內部吹風。逆變側IGBT模塊和16個BOOST晶體管安裝在散熱器上。BOOST電感和逆變電感安裝在一個盒體內。為獲得更大通風量,散熱器框出風側全部面積打孔,過孔率60%。初始條件環境溫度40°,1個大氣壓。使用2個8025風扇。整機熱仿真溫度場見圖15。

圖13

圖14

圖15

散熱器翅片間的速度場分布見圖16。

圖16

3種結構的計算結果對比:

情況	風道形式	逆變側 IGBT 模塊最 高殼溫	BOOST 側晶體管 最高結溫	散熱器重量	散熱器 框尺寸	出風口 沖孔 面積	風扇板 尺寸
1	豎直風道, 2個風扇	68.8	90.02	主散熱器8.92kg, 輔助散熱器1.72kg	530x550 x90	530x90	530x90
2	豎直風道, 3個風扇	66.34	87.08	主散熱器8.92kg, 輔助散熱器1.72kg	530x550 x90	530x90	530x90
3	水平風道, 2個風扇	66.85	84.98	散熱器 7.97kg	516x254 x90	254x90	254x90

可見,采用水平風道時,用2個風扇可獲得與“豎直風道+3個風扇”同樣的散熱效果。熱源接近散熱器冷空氣入口,散熱器利用率高。所有翅片在空氣流向上沒有阻擋。散熱器氣流入口靠近箱體外側,風扇板適宜做成“快速更換”形式。豎直安裝的風扇板也避免了積灰問題。散熱器框和風扇板用料更省,出風口沖孔加工量更小。

4. 相鄰逆變器間的熱氣流干擾問題

采用水平風道時,前1臺逆變器的的出風口熱空氣會被下1臺逆變器的進風口吸入。以上文的17kw逆變器為例,經熱仿真發現,距離1.5米時,前1臺的熱空氣對后1臺已基本無影響。見圖17。

圖17

如前后逆變器間插有擋板,則僅相距600mm時,已互不影響,見圖18。

圖18

5. 結論

光伏逆變器的機械設計與硬件布局和整機散熱密切相關。利用ICEPAK熱仿真工具,可以在方案提出的初期就掌握整機的熱特性,并對影響機械件成本的諸因素(如:部件幾何尺寸、部件形狀、材料的熱物性參數)進行定性、定量分析,迅速找到最合理的機械設計方案,對提高光伏逆變器產品競爭力具有重要指導意義。

(來源:《光能》雜志,作者:趙西嶺 嘉興極致傳動有限公司, 姚英姿 施耐德電氣(中國)有限公司)

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