基于ICEPAK热仿真的光伏逆变器结构优化

2017-06-06  by:CAE仿真在线  来源:互联网

[ 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。

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”固定在散热器上。

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。

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。

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。

2种散热方案具体的对比见下表:

	陶瓷垫片			相变垫片
	箱体钣金挖孔	散热器铣槽	陶瓷垫片定位塑料框
零件数量(整机)	陶瓷垫片16个, 导热膏若干。	陶瓷垫片16个, 导热膏若干。	陶瓷垫片16个,陶瓷垫片定位塑料框2个,导热膏若干。	相变垫片 2个
模具	陶瓷垫片烧制模 1套	陶瓷垫片烧制模 1套	陶瓷垫片烧制模 1套; 陶瓷垫片定位塑料框注塑模 1套	无
工装	陶瓷垫片两面导热膏涂覆工装	陶瓷垫片两面导热膏涂覆工装	陶瓷垫片两面导热膏涂覆工装	无
散热器机加工	无	铣16个陶瓷 垫片容纳槽	陶瓷垫片定位塑料框 固定螺钉孔	无
生产工艺性	陶瓷垫片两面涂导热膏; 逐个放置陶瓷垫片	陶瓷垫片两面涂导热膏; 逐个放置陶瓷垫片	固定陶瓷垫片定位塑料框; 陶瓷垫片两面涂导热膏; 逐个放置陶瓷垫片	放置相变垫片(利用自带背胶粘附于散热器)
可靠性隐患	固定晶体管时压裂陶瓷垫片	固定晶体管时压裂陶瓷垫片	固定晶体管时压裂陶瓷垫片	无

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。

图1 陶瓷垫片方案

图2 陶瓷垫片定位塑料框

图3

图4

图5 相变导热垫片方案

图6 陶瓷垫片方案散热器温度场

图7 相变导热垫片方案散热器温度场

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。

图8

图9

图10

使用3个8025风扇的整机热仿真温度场见图11。

散热器翅片间的速度场分布见图12。

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。

图11

图12

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。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。

图13

图14

图15

散热器翅片间的速度场分布见图16。

图16

3种结构的计算结果对比:

情况	风道形式	逆变侧 IGBT 模块最 高壳温	BOOST 侧晶体管 最高结温	散热器重量	散热器 框尺寸	出风口 冲孔 面积	风扇板 尺寸
1	竖直风道, 2个风扇	68.8	90.02	主散热器8.92kg, 辅助散热器1.72kg	530x550 x90	530x90	530x90
2	竖直风道, 3个风扇	66.34	87.08	主散热器8.92kg, 辅助散热器1.72kg	530x550 x90	530x90	530x90
3	水平风道, 2个风扇	66.85	84.98	散热器 7.97kg	516x254 x90	254x90	254x90

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. 相邻逆变器间的热气流干扰问题

采用水平风道时,前1台逆变器的的出风口热空气会被下1台逆变器的进风口吸入。以上文的17kw逆变器为例,经热仿真发现,距离1.5米时,前1台的热空气对后1台已基本无影响。见图17。

图17

如前后逆变器间插有挡板,则仅相距600mm时,已互不影响,见图18。

图18

5. 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。

(来源:《光能》杂志,作者:赵西岭 嘉兴极致传动有限公司, 姚英姿 施耐德电气(中国)有限公司)

相关标签搜索：基于ICEPAK热仿真的光伏逆变器结构优化 Ansys有限元培训 Ansys workbench培训 ansys视频教程 ansys workbench教程 ansys APDL经典教程 ansys资料下载 ansys技术咨询 ansys基础知识 ansys代做 Fluent、CFX流体分析 HFSS电磁分析 Abaqus培训