变频器散热设计

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[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，可按齿间距≥1.2倍齿高来确定散热器的齿间距，一般 齿间距=<1/4的散热器高度” 变频器首先按照模块放置要求，预先确定外形尺寸为宽*长*厚 260*220*50

先看看自然风冷，按照上述原则，选择镇江长虹散热器有限公司的DY-V系列散热器，见下图

「该帖子被 令狐不冲 在 2008-8-22 18:32:18 编辑过」

变频器发热量为额定功率P的 5%-6% 18.5kw变频器发热量计算

Q热=6%P=6%*18.5=1.11(kw)=1110(W) P为变频器额定功率 型材散热器表面积计算 A=UL

式中：U 散热器翅片横截面的周长， cm L 散热器的长度，cm

A=2422.5209*220*10-2=5329.545(cm2)

散热器表面的热流密度 Q热/ A =1110/5329.545 =0.208 (W/ cm2)>= 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。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R'Tf。 按照R'Tf≤RTf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 = ΔT / 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 ①

(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 ② 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，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Rcs≈0.1Rjc)

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①和②，可得

Rsa <〔( Tj - Ta ) / P〕- Rjc - Rcs ③ 上式③即散热器选配的基本原则。

一般散热器厂商应提供特定散热器材料的形状参数和热阻特性曲线，据此设计人员可计算出所需散热器的表面积、长度、重量，并进一步求得散热器的热阻值Rsa。”

此种方法没试过，因为具体到某种型号的散热器的性能曲线，不容量获得。 既已采用强迫风冷，就要选择风机

“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℃，定性温度为tf =(60+50)/2=55℃

强制风冷所带走的热量大约是总损耗功率的90%，其余10%主要靠电源外壳向外的热辐射以及自然对流散

掉”

通风量的计算 Q热'=Cp*ρ*Q风*Δt Q风=Q热*60/(Cp*ρ*Δt)

式中： CP 空气的比热（J∕kg?℃）1005J/(kg?K)； ρ 空气的密度（kg/m3） 1.06kg/m3； Q风 通风量（m3∕min）；

Q热' 风机带走的热量（W）， Q热 *90%；

△t 空气出口与进口温差（℃） 一般是10℃-15℃；不知道此依据是什么

Q风=Q热'*60/(Cp*ρ*Δt)=90%*Q热*60/(1005*1.06*△t)=0.051*Q热/△t=0.051*1110/10=5.66 (m3/min)

上式 Q风=0.051*Q热/△t变化一下 Q风=0.051*P机*60/△t=3.06*P机/△t 式中 P机为变频器额定功率，kw

是我常用的公式，作为计算所需风量的依据，个人以为△t取10偏低，理论风量太大，实际上也没有测量

过

正好手头有一本科畅公司的风机说明书，上有风量计算公式，Q风=1.76P/(t2-t1) (CFM)英尺3/min =0.05P/(t2-t1) (m3/min)

举有一例： Air Flow=1.76*1000/(59-20)=45(CFM) (发热量1000W，出口温度 59℃，进口温度20℃) 温差达39℃，到底应该是多少比较合适，晕！

理论计算出来的风量值，考虑到风量损失及安全性等因素，要乘以1.5-2倍，Q风?>=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.A·△t·ηf

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， ℃ ηf 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ηf为肋片散热效率，则实际散热量为： Q= Q0·ηf=hPLC·△t·ηf

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=λ.Nu/d

式中： h 换热系数 W/m2.℃

λ 空气的换热系数 W/m.℃ 0.029W/(m·K) 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=vd/ ν 式中： Re 雷诺数 v 空气流速 m/s d 当量直径 m

ν 运动粘度 18.9×10^-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(m/min)=4.375(m/s)

Re=vd/ ν =4.375*0.00976/18.9×10^-6=2259

由2200

L 散热器长度 m 初步定为220mm μ 动力粘度 20.1×10^-6kg/(m.s)

μ′ 为空气定性温度为+50°C时的动力粘度，19.6×10^-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， Re<2200 层流状态 Nu=1.86(Re.Pr.d/L)^1/3.(μ′/μ)^0.14 Re>10^4 紊流 状态 Nu=0.023Re^0.8.Pr^0.4

偏没有2200

=0.116(2259^2/3-125)*0.7^1/3[1+(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=λ.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.A·△t·ηf

ηf 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。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/93qo.html