变频器散热设计

《变频器散热设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《变频器散热设计（8页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、讨论 变频器散热设计以下资料主要是在网上搜集来的，加了点个人的理解，目的是将其作为自己在散热知识掌握程度的一个小结，希望对同行设计人员有个参考作用，由于本人学识肤浅，更希望得到同行老师指点一二，我将受益不菲！下面开始了以18.5KW变频器举例通常散热器的设计分为三步1:根据相关约束条件设计处轮廓图。2:根据散热器的相关设计准则对散热器齿厚、齿的形状、齿间距、基板厚度进行优化。3:进行校核计算变频器发热主要是来自功率模块IGBT和整流桥，必须通过散热器导热，采用自然风冷或强迫风冷将热量散发出去。“散热器冷却方式的判断对通风条件较好的场合：散热器表面的热流密度小于0.039W/cm2，可采用自然风

2、冷。对通风条件较恶劣的场合：散热器表面的热流密度小于0.024W/cm2，可采用自然风冷。对通风条件较好的场合，散热器表面的热流密度大于0.039W/cm2而小于0.078W/cm2，必须采用强迫风冷。对通风条件较恶劣的场合： 散热器表面的热流密度大于0.024W/cm2而小于0.078W/cm2，必须采用强迫风冷”注：“ ”中的文字是转摘来的， 不知道依据，也不太理解 。以下同，不再说明！“自然冷却散热器的设计方法考虑到自然冷却时温度边界层较厚，如果齿间距太小，两个齿的热边界层易交叉，影响齿表面的对流，所以一般情况下，建议自然冷却的散热器齿间距大于12mm，如果散热器齿高低于10mm，可按齿

3、间距1.2倍齿高来确定散热器的齿间距，一般 齿间距= 0.039W/cm2计算出来的散热器表面的热流密度，远大于限制的0.039W/cm2，就算加长加厚散热器，增大表面积，也远远不够，所以不能采用自然风冷，要采用强迫风冷散热器的布置见下图“也有将散热器热阻RTf来作为选择散热器的主要依据。Tj、RTj是半导体器件提供的参，P是耗散功率，RTc可以从热设计专业书籍中查到。下面介绍一下散热器的选择。 （1）自然冷却散热器的选择 首先按以下式子计算总热阻RT和散热器的热阻RTf，即： RT=(Tjmax-Ta)/Pc RTf=RT-RTj-RT。 算出RT和RTf之后，可根据RTf和P来选择散热器。

4、选择时，根据所选散热RTf和P曲线，在横坐标上查出已知P，再查出与P对应的散热器的热阻RTf。 按照RTfRTf的原则选择合理的散热器即可。 （2）强迫风冷散热器的选择 强迫风冷散热器在选择时应根据散热器的热阻RTf和风速来选择合适的散热器。”又有见 “1. 概念 (1) 元件工作结温Tj：即元件允许的最高工作温度极限。本参数由制造厂提供，或产品标准强制给出要求。(2) 元件的损耗功率P：元件在工作时自身产生的平均稳态功率消耗，定义为平均有效值输出电流与平均有效值电压降的乘积。 (3) 耗散功率Q：特定散热结构的散热能力。 (4) 热阻R：热量在媒质之间传递时，单位功耗所产生的温升。 R =

5、T / Q 2. 散热器的选配 设环境温度为Ta。散热器的配置目的，是必须保证它能将元件的热损耗有效地传导至周围环境，并使其热源即结点的温度不超过Tj。用公式表示为 P Q = ( Tj - Ta ) / R (当然，热量的消散除对流传导外，还可辐射。在后面讨论) 而热阻又主要由三部分组成： R = Rjc + Rcs + Rsa Rjc：结点至管壳的热阻； Rcs：管壳至散热器的热阻； Rsa：散热器至空气的热阻。 其中，Rjc与元件的工艺水平和结构有很大关系，由制造商给出。 Rcs与管壳和散热器之间的填隙介质（通常为空气）、接触面的粗糙度、平面度以及安装的压力等密切相关。介质的导热性能越好

6、，或者接触越紧密，则Rcs越小。 (参考值：我厂凸台元件的风冷安装，一般可考虑Rcs0.1Rjc) Rsa是散热器选择的重要参数。它与材质、材料的形状和表面积、体积、以及空气流速等参量有关。 综合和，可得 Rsa =1.5Q风选用台湾建准 KD2412PMBX_6A 风量120CFM= 3.4m3/min根据冷却方案，确定了强迫风冷，重新选定散热器，选择无锡鸿祥散热器有限公司的插片式散热器，见图，轮廓尺寸是根据元器件的放置大致初定的，下面就要校核。 散热器的校核计算换热方程式 Q热=h.Atf 式中: Q热 电子设备的耗热，W h 总换热系数，W/m2 A 有效换热面积，m2 t 对流平均温差

7、， f 换热效率 这个公式是电子设备热设计标准手册上查到的，不会有错，就看怎么理解参数了。但中国电子科技集团公司第14研究所 夏爱清的那篇文章上的公式与之相比有点区别，摘录如下： 以下简称夏文 “Q0=hPLC(t0-tf) 设定f为肋片散热效率，则实际散热量为： Q= Q0f=hPLCtf 式中，h为对流换热系数，W/m2；P为肋片横截面周长，m；Lc为修正长度，m；t为流体与壁面的温差，。 设定肋基温度为+80，用整机的高温环境温度+50作为进口空气温度，设定出口空气温度为+60 ，则： t=80-50=30 定性温度为tf =(60+50)/2=55” 这里将t=30，我理解为散热器铝片

8、与环境温度差 但P.LC 不理解，肋片横截面周长*修正长度，得到的结果是什么面积呢？回到换热公式，先来求h，总换热系数 h=.Nu/d 式中： h 换热系数 W/m2. 空气的换热系数 W/m. 0.029W/(mK) Nu 努谢尔特数 d 当量直径，m 当量直径 d=4A/U 式中： A 散热片中每两个肋片围成的面积 ，m2 U 散热片中每两个肋片围成的周长，m 从图3可以看出 每两个肋片围成的尺寸是 5.2*79 d=4A/U=4*0.0052*0.079/2(0.0052+0.079)=0.00976m 下面求 努谢尔特数 Nu 要求出 努谢尔特数 Nu ，先要求出 雷诺数 Re Re=

9、vd/ 式中： Re 雷诺数 v 空气流速 m/s d 当量直径 m 运动粘度 18.910-6m2/s 空气流速 v和风机相关，v=Q风*90%/A Q风 风机的标称通风量 考虑到侧隙和底缝及同风量不均匀等因素，所以按90%计算 A 通风孔的面积 这个我也有疑虑，是机箱出风口面积还是进风口的面积，又或是散热器的肋板风道面积呢？夏文中，风机是贴着板壁放置，向里吹风，所以此面积是机箱板壁进风口的面积，我的这个没有板壁阻挡，只有安全罩，向外排风的，面积应该采用哪个呢，我这里采用机箱上部出风口的孔洞面积，120*120 mm2 v=Q风*90%/A=4.2*90%/(0.12*0.12)=262.5

10、(m/min)=4.375(m/s) Re=vd/ =4.375*0.00976/18.910-6=2259 由2200Re104可知，空气在散热器内为强制紊流，则由下面的公式计算出努谢尔特数，即 Nu=0.116(Re2/3-125)Pr1/31+(d/L)2/3(/)0.14 式中： Re 雷诺数 Pr 普郎特数 查得 Pr=0.7 d 当量直径 m L 散热器长度 m 初步定为220mm 动力粘度 20.110-6kg/(m.s) 为空气定性温度为+50C时的动力粘度，19.610-6 kg/(m.s) 上式是夏文引用的。在电子设备手册中，也提到到了努谢尔特数Nu计算， Re104 紊流

11、 状态 Nu=0.023Re0.8.Pr0.4 偏没有2200Re104时的公式，郁闷！所以这里采用夏文中的公式。 Nu=0.116(Re2/3-125)Pr1/31+(d/L)2/3(/)0.14 =0.116(22592/3-125)*0.71/31+(0.00976/0.22)2/3*(19.6*10-6/20.1*10-6)0.14=5.5 现在可以计算对流换热系数了 h=.Nu/d=0.029*5.5/0.00976=16.34 (w/m2.k) 再来计算总的换热量 Q热=h.Atf f 按0.9取值，也没什么依据，有按0.95取的 A = 5.2*79*220*40*10-6=3.615m2 Q热=16.34*3.615*30*0.9=1594 (W) 总散热量1594W，加上散热器其它表面的辐射散热和自然对流散热，完全能满足18.5kw变频器的工作需要了。校核完毕，有点乱，还需时间整理。