SVG功率器件散热结构设计

摘　要：随着现代电力电子设备等非线性负荷大量接入电网，使电网供电质量受到严重影响。其中，各种电力电子开关器件的大量应用和负载的频繁波动是最主要的干扰源，导致了一系列不良影响。无功功率的存在，使得电力输电系统和重工业应用领域面临着各种各样的问题和挑战。电力输配电面临电压波动、低功率因数以及电压失稳等问题；重工业应用，特别是快速、冲击性负载，可能导致供电网的电压不平衡、电压波动和闪变等问题。

关键词：散热结构设计 SVG
引言：
　　SVG是当今最先进的无功补偿装置，能对动态无功负荷的功率因数校正；改善电压调整；提高电力系统的静态和动态稳定性，阻尼功率振荡；降低过电压；减少电压闪烁；减少电压和电流的不平衡。
　　SVG装置作为电力电子综合应用的大型设备，拥有复杂的电气、电子、控制系统，同时其结构设计的质量直接影响设备性能的好坏。大功率、小型化、轻型化是未来SVG的发展方向。在拓扑结构相似的情况下，产品结构设计将成为SVG生产商提高竞争力的主要因素。国内厂商在结构设计方面的研究与在电力电子应用、控制策略、主电路拓扑结构等方面的研究，相比之下，前者比后者相对滞后。虽然各厂家也致力于产品的结构优化设计，但未引起足够重视，缺乏相关的理论研究。针对这种现状，论文着重介绍了SVG功率器件的散热结构设计的常规思路和案例介绍。
　　论文以SVG结构设计案例为主线，首先介绍了SVG的一次工作原理以及主要器件；
　　接着对SVG主要发热器件的功率模块部分通过软件进行热分析及损耗的确定；最后对SVG的功率单元部分的散热结构设计步骤和方法进行介绍。
一、SVG工作原理
　　SVG(静止无功发生器)又称静止同步补偿器（STATCOM/DSTATCOM），SVG的基本原理就是将自换相的桥式电路通过电抗器并联在电网上，适当的调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。
　　由于SVG通过电力半导体开关的通断将直流侧电压转换成交流侧与电网同频率的输出电压，就像一个电压型逆变器，只不过其交流侧输出接的不是无源负载，而是电网。因此SVG可以等效地被视为幅值和相位均可以控制的一个与电网同频率的交流电压源。它通过交流电抗器接到电网上。
　　
　　SVG一次工作原理图
二、热分析和散热设计
　　1).SVG的发热部件主要是两部分：
　　一是连接电抗器，二是功率单元模块。本次文章主要就功率模块部分的散热设计来展开介绍。IGBT是功率单元模块的主要发热器件，通常其PN 结不得超过25℃，封装外壳不得超过85℃。有研究表明，当元器件的温度波动超过±20℃的时候，其失效率会增加8 倍。所以功率器件的散热设计关乎到整个设备的运行安全。
　　2).以下以650A功率单元的散热设计为例：
　　功率模块单元的发热量计算：IGBT损耗包括通态损耗和开关损耗。根据IGBT厂家提供的损耗计算软件以及人工公式计算综合比较得出单个模块损耗约为3.3Kw。受结构尺寸要求散热器尺寸不能超过265mmx285mmx110mm，这样的尺寸要求散热器如果还是采用常规的工艺是很难满足散热要求的。为提高散散热器的均温性以及整体的散热效率，散热器设计如下图在散热器的基板上埋设了12根热管。按散热器表面模仿提供恒定2.8Kw热源，进风风速以3.5m/s;4m/s;4.5m/s; 5m/s 为输入条件进行了风洞试验。测试数据如下：

　　
　　
　　
按环境温度为40℃，IGBT允许最高壳温85℃所以以上三种风速情况下均能满足运行要求。
　　根据以上功率单元的散热要求来进行柜体的整体散热设计。功率单元柜包含了36个功率单元即每相为12级串联方式。我司柜体均采用的是抽风的方式对功率模块的散热器进行散热，常用的几种柜体结构方式分别为前进风顶部出风；后进风顶部出风以及前后进风柜顶出风的方式。

　　而此次650A功率单元考虑到总体空间尺寸的要求柜体采用了结构更紧凑的前、后进风方式，即柜前柜后均安装功率单元模块而在柜体的中部形成风腔，柜顶安装风机整体抽风的方式。整个650A功率模块柜分为6个小柜体，每个小柜安装6个功率单元，每个小柜都做到结构一致可以完全互换。而每个小柜的散热风机选择则是根据功率模块散热的风量要求以及散热器的压降情况，同时结合柜体整体风压损失整体考虑选择风机。考虑到长期稳定运行我司最后选择了德国进口施乐百风机（RH50E-4DK.6K.1R.1R）具体建模及仿真结果如下图：

柜体截面各处风速情况仿真

柜体截面各处风压情况仿真

　　结合仿真结果与我司实际的测试情况，每个功率模块的进风风速均能达到5.0m/s以上，略低于软件的仿真结果。（这与柜体的装配工艺导致的柜体漏风情况有很大关系）通过实验验证该650A功率模块散热完全满足要求，能保证长期稳定运行。
结语：
　　SVG功率器件散热结构设计主要从功率器件即IGBT的损耗着手，然后根据发热器件的热流密度情况选择散热方式（常规的有自然冷却，强迫风冷，热管散热，以及水冷等）。最后结合功率单元模块的散热要求对整个系统进行散热设计。 本文链接：http://www.qk112.com/lwfw/jingjilunwen/gongyejingji/259205.html