基于ICEPAK熱仿真的光伏逆變器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2017-06-06  by:CAE仿真在線(xiàn)  來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

[ 摘 要 ] 本文以獲得最優(yōu)的整機(jī)結(jié)構(gòu)布局為目標(biāo),采用ICEPAK軟件對(duì)若干型號(hào)的光伏逆變器進(jìn)行了熱設(shè)計(jì)。首先介紹了相變導(dǎo)熱墊片在光伏逆變器散熱方案中的應(yīng)用,根據(jù)熱仿真結(jié)果證實(shí)了比原始方案“陶瓷墊片”具有更好的工藝性和價(jià)格優(yōu)勢(shì)、更小的溫升。接著利用ICEPAK出色的溫度/流體場(chǎng)解算能力,闡述了如何利用熱仿真結(jié)果輔助某型三相光伏逆變器調(diào)整機(jī)械設(shè)計(jì),最終達(dá)到結(jié)構(gòu)優(yōu)化的過(guò)程。

1. 前言

機(jī)械設(shè)計(jì)是光伏逆變器整機(jī)研發(fā)的重要內(nèi)容,而光伏逆變器本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了大部分機(jī)械件的總體尺寸、空間布局、形狀暨材質(zhì)選擇又取決于整機(jī)熱設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)方法有解析法和實(shí)驗(yàn)法。由于在實(shí)際產(chǎn)品中熱傳輸途徑非常復(fù)雜,解析法通常僅具有理論上的指導(dǎo)意義而難以滿(mǎn)足工程實(shí)際需求。實(shí)驗(yàn)法雖然具有準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn),但是卻有耗時(shí)長(zhǎng)、成本高及難以探測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部溫度等缺點(diǎn)。而基于流體力學(xué)、傳熱學(xué)、數(shù)值分析的現(xiàn)代熱仿真技術(shù)是一種高技術(shù)、高速度、低成本的方法,它對(duì)優(yōu)化光伏逆變器的熱設(shè)計(jì)、為機(jī)械設(shè)計(jì)提供合理方向具有重要指導(dǎo)意義。隨著商用數(shù)值仿真軟件的完善,熱仿真技術(shù)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。本文通過(guò)產(chǎn)品實(shí)例,介紹了利用行業(yè)領(lǐng)先的Icepak軟件熱仿真來(lái)指導(dǎo)光伏逆變器結(jié)構(gòu)優(yōu)化。仿真結(jié)果都經(jīng)過(guò)實(shí)際產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,誤差均較小,表明Icepak具有較高的工程實(shí)用價(jià)值。

2. 相變導(dǎo)熱墊片的應(yīng)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(cè)晶體管和逆變側(cè)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(dǎo)熱效果,陶瓷墊片兩個(gè)底面要預(yù)先涂導(dǎo)熱膏。在安裝時(shí)為定位各陶瓷墊片,又需要事先將2個(gè)“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(kāi)注塑模,因此提出改進(jìn)方法:在散熱器對(duì)應(yīng)陶瓷墊片的位置銑16個(gè)凹槽,用來(lái)放置陶瓷墊片,見(jiàn)圖3。

稍后,為消除“銑16個(gè)凹槽”的工序,再次更改方案為:在箱體鈑金上對(duì)應(yīng)陶瓷墊片的位置沖孔,用來(lái)放置陶瓷墊片,見(jiàn)圖4。

以上3種方案均要使用導(dǎo)熱膏,在裝配現(xiàn)場(chǎng)易造成臟污,而且整機(jī)裝配工藝復(fù)雜。

“陶瓷墊片+導(dǎo)熱膏”組合上世紀(jì)50年代開(kāi)始使用。為避免使用導(dǎo)熱膏,上世紀(jì)80年代業(yè)界發(fā)明了彈性導(dǎo)熱墊片,但在導(dǎo)熱性能上稍遜于陶瓷墊片。本世紀(jì)初相變導(dǎo)熱墊片開(kāi)始投入實(shí)用。經(jīng)熱阻測(cè)試(1),同樣面積同樣壓力時(shí),“陶瓷墊片+導(dǎo)熱膏”組合的熱阻大于相變導(dǎo)熱墊片。

最終的散熱方案采用某型號(hào)相變導(dǎo)熱墊片,如圖5。不再使用導(dǎo)熱膏和陶瓷墊片定位塑料框(或散熱器銑槽,箱體挖孔),也無(wú)需額外的工裝和模具。相變導(dǎo)熱墊片可局部帶背膠,可牢固準(zhǔn)確地附著在散熱器上。晶體管殼溫到達(dá)一定數(shù)值時(shí),相變導(dǎo)熱墊片軟化并充滿(mǎn)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(jī)熱仿真結(jié)果,散熱器最高溫度79.88°C,晶體管最高結(jié)溫104.278°C。圖7為初始條件相同時(shí)采用相變墊片的整機(jī)熱仿真結(jié)果,散熱器最高溫度79.86°C,最高結(jié)溫102.09°C。

2種散熱方案具體的對(duì)比見(jiàn)下表:

由以上分析可見(jiàn),采用相變導(dǎo)熱墊片后,散熱效果更好,而組裝消耗工時(shí)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(dǎo)熱墊片方案

圖6 陶瓷墊片方案散熱器溫度場(chǎng)

圖7 相變導(dǎo)熱墊片方案散熱器溫度場(chǎng)

3. 熱仿真輔助三相光伏逆變器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1豎直風(fēng)道方案

某型3相17kW光伏逆變器早期方案整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖8,安裝形式為掛墻安裝,背面外觀如圖9。風(fēng)扇向上吹風(fēng)。逆變側(cè)IGBT模塊和8個(gè)BOOST晶體管安裝在主散熱器,另外8個(gè)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(cè)。為獲得更大通風(fēng)量,散熱器框頂部全部面積打孔,過(guò)孔率60%。初始條件環(huán)境溫度40°,1個(gè)大氣壓。初始方案使用2個(gè)8025風(fēng)扇。整機(jī)熱仿真溫度場(chǎng)見(jiàn)圖10。

圖8

圖9

圖10

使用3個(gè)8025風(fēng)扇的整機(jī)熱仿真溫度場(chǎng)見(jiàn)圖11。

散熱器翅片間的速度場(chǎng)分布見(jiàn)圖12。

綜合觀察圖9~12,可發(fā)現(xiàn)豎直風(fēng)道有以下不足:(1)圖9中根據(jù)流體力學(xué)理論,風(fēng)扇應(yīng)盡量上移靠近主散熱器以獲得更大風(fēng)量,但上移過(guò)多則沒(méi)有風(fēng)掠過(guò)2個(gè)電感盒,而且結(jié)構(gòu)上很難實(shí)現(xiàn)風(fēng)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(jiàn)圖10和11的散熱器藍(lán)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(cè)4個(gè)BOOST晶體管(黃色線(xiàn)標(biāo)示)下方的翅片,僅有少量的氣流掠過(guò)。(4)水平安裝的風(fēng)扇板積灰嚴(yán)重。

圖11

圖12

3.2 水平風(fēng)道方案

改進(jìn)型光伏逆變器采用水平風(fēng)道,整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖13,安裝形式為掛墻安裝,背面外觀如圖14。風(fēng)扇安裝在BOOST側(cè),向內(nèi)部吹風(fēng)。逆變側(cè)IGBT模塊和16個(gè)BOOST晶體管安裝在散熱器上。BOOST電感和逆變電感安裝在一個(gè)盒體內(nèi)。為獲得更大通風(fēng)量,散熱器框出風(fēng)側(cè)全部面積打孔,過(guò)孔率60%。初始條件環(huán)境溫度40°,1個(gè)大氣壓。使用2個(gè)8025風(fēng)扇。整機(jī)熱仿真溫度場(chǎng)見(jiàn)圖15。

圖13

圖14

圖15

散熱器翅片間的速度場(chǎng)分布見(jiàn)圖16。

圖16

3種結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果對(duì)比:

可見(jiàn),采用水平風(fēng)道時(shí),用2個(gè)風(fēng)扇可獲得與“豎直風(fēng)道+3個(gè)風(fēng)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(méi)有阻擋。散熱器氣流入口靠近箱體外側(cè),風(fēng)扇板適宜做成“快速更換”形式。豎直安裝的風(fēng)扇板也避免了積灰問(wèn)題。散熱器框和風(fēng)扇板用料更省,出風(fēng)口沖孔加工量更小。

4. 相鄰逆變器間的熱氣流干擾問(wèn)題

采用水平風(fēng)道時(shí),前1臺(tái)逆變器的的出風(fēng)口熱空氣會(huì)被下1臺(tái)逆變器的進(jìn)風(fēng)口吸入。以上文的17kw逆變器為例,經(jīng)熱仿真發(fā)現(xiàn),距離1.5米時(shí),前1臺(tái)的熱空氣對(duì)后1臺(tái)已基本無(wú)影響。見(jiàn)圖17。

圖17

如前后逆變器間插有擋板,則僅相距600mm時(shí),已互不影響,見(jiàn)圖18。

圖18

5. 結(jié)論

光伏逆變器的機(jī)械設(shè)計(jì)與硬件布局和整機(jī)散熱密切相關(guān)。利用ICEPAK熱仿真工具,可以在方案提出的初期就掌握整機(jī)的熱特性,并對(duì)影響機(jī)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(shù))進(jìn)行定性、定量分析,迅速找到最合理的機(jī)械設(shè)計(jì)方案,對(duì)提高光伏逆變器產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力具有重要指導(dǎo)意義。

(來(lái)源:《光能》雜志,作者:趙西嶺 嘉興極致傳動(dòng)有限公司, 姚英姿 施耐德電氣(中國(guó))有限公司)

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