1.前言
機械設計是光伏逆變器整機研發的重要內容，而光伏逆變器本身的結構特點決定了大部分機械件的總體尺寸、空間布局、形狀暨材質選擇又取決于整機熱設計。傳統的熱設計方法有解析法和實驗法。由于在實際產品中熱傳輸途徑非常復雜，解析法通常僅具有理論上的指導意義而難以滿足工程實際需求。實驗法雖然具有準確度高的優點，但是卻有耗時長、成本高及難以探測系統內部溫度等缺點。而基于流體力學、傳熱學、數值分析的現代熱仿真技術是一種高技術、高速度、低成本的方法，它對優化光伏逆變器的熱設計、為機械設計提供合理方向具有重要指導意義。隨著商用數值仿真軟件的完善，熱仿真技術得到了越來越廣泛的應用。本文通過產品實例，介紹了利用行業領先的Icepak軟件熱仿真來指導光伏逆變器結構優化。仿真結果都經過實際產品的實驗驗證，誤差均較小，表明Icepak具有較高的工程實用價值。
2.相變導熱墊片的應用
某型單相組串光伏逆變器早期散熱方案如圖1，熱源為BOOST側晶體管和逆變側晶體管，晶體管與散熱器間為2mm厚陶瓷墊片。為獲得更好的導熱效果，陶瓷墊片兩個底面要預先涂導熱膏。在安裝時為定位各陶瓷墊片，又需要事先將2個“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”開注塑模，因此提出改進方法：在散熱器對應陶瓷墊片的位置銑16個凹槽，用來放置陶瓷墊片，見圖3。
稍后，為消除“銑16個凹槽”的工序，再次更改方案為：在箱體鈑金上對應陶瓷墊片的位置沖孔，用來放置陶瓷墊片，見圖4。
以上3種方案均要使用導熱膏，在裝配現場易造成臟污，而且整機裝配工藝復雜。
“陶瓷墊片+導熱膏”組合上世紀50年代開始使用。為避免使用導熱膏，上世紀80年代業界發明了彈性導熱墊片，但在導熱性能上稍遜于陶瓷墊片。本世紀初相變導熱墊片開始投入實用。經熱阻測試(1)，同樣面積同樣壓力時，“陶瓷墊片+導熱膏”組合的熱阻大于相變導熱墊片。
最終的散熱方案采用某型號相變導熱墊片，如圖5。不再使用導熱膏和陶瓷墊片定位塑料框(或散熱器銑槽，箱體挖孔)，也無需額外的工裝和模具。相變導熱墊片可局部帶背膠，可牢固準確地附著在散熱器上。晶體管殼溫到達一定數值時，相變導熱墊片軟化并充滿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熱仿真結果，散熱器最高溫度79.88°C，晶體管最高結溫104.278°C。圖7為初始條件相同時采用相變墊片的整機熱仿真結果，散熱器最高溫度79.86°C，最高結溫102.09°C。
2種散熱方案具體的對比見下表：
由以上分析可見，采用相變導熱墊片后，散熱效果更好，而組裝消耗工時更低。
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 相變導熱墊片方案
圖6 陶瓷墊片方案散熱器溫度場
圖7 相變導熱墊片方案散熱器溫度場
3.熱仿真輔助三相光伏逆變器結構優化3.1豎直風道方案某型3相17kW光伏逆變器早期方案整機結構如圖8，安裝形式為掛墻安裝，背面外觀如圖9。風扇向上吹風。逆變側IGBT模塊和8個BOOST晶體管安裝在主散熱器，另外8個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。為獲得更大通風量，散熱器框頂部全部面積打孔，過孔率60%。初始條件環境溫度40°，1個大氣壓。初始方案使用2個8025風扇。整機熱仿真溫度場見圖10。
圖10
使用3個8025風扇的整機熱仿真溫度場見圖11。
散熱器翅片間的速度場分布見圖12。
綜合觀察圖9~12，可發現豎直風道有以下不足：(1)圖9中根據流體力學理論，風扇應盡量上移靠近主散熱器以獲得更大風量，但上移過多則沒有風掠過2個電感盒，而且結構上很難實現風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，見圖10和11的散熱器藍色部分。(3) 圖12中，由于BOOST電感盒的阻擋，輔助散熱器上的最左側4個BOOST晶體管(黃色線標示)下方的翅片，僅有少量的氣流掠過。(4)水平安裝的風扇板積灰嚴重。
圖11
圖12
3.2水平風道方案改進型光伏逆變器采用水平風道，整機結構如圖13，安裝形式為掛墻安裝，背面外觀如圖14。風扇安裝在BOOST側，向內部吹風。逆變側IGBT模塊和16個BOOST晶體管安裝在散熱器上。BOOST電感和逆變電感安裝在一個盒體內。為獲得更大通風量，散熱器框出風側全部面積打孔，過孔率60%。初始條件環境溫度40°，1個大氣壓。使用2個8025風扇。整機熱仿真溫度場見圖15。
圖15
散熱器翅片間的速度場分布見圖16。
圖16
3種結構的計算結果對比：
可見，采用水平風道時，用2個風扇可獲得與“豎直風道+3個風扇”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有阻擋。散熱器氣流入口靠近箱體外側，風扇板適宜做成“快速更換”形式。豎直安裝的風扇板也避免了積灰問題。散熱器框和風扇板用料更省，出風口沖孔加工量更小。4.相鄰逆變器間的熱氣流干擾問題采用水平風道時，前1臺逆變器的的出風口熱空氣會被下1臺逆變器的進風口吸入。以上文的17kw逆變器為例，經熱仿真發現，距離1.5米時，前1臺的熱空氣對后1臺已基本無影響。見圖17。
圖17
如前后逆變器間插有擋板，則僅相距600mm時，已互不影響，見圖18。
圖18
5.結論光伏逆變器的機械設計與硬件布局和整機散熱密切相關。利用ICEPAK熱仿真工具，可以在方案提出的初期就掌握整機的熱特性，并對影響機械件成本的諸因素（如：部件幾何尺寸、部件形狀、材料的熱物性參數）進行定性、定量分析，迅速找到最合理的機械設計方案，對提高光伏逆變器產品競爭力具有重要指導意義。
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