頻器的溫升及其試驗方法探討
1 引言廠房通風 隨著新型電力電子器件和高性能微處理器的應用、控制技術的發展、電機傳動技術的發展和國家節能減排的需要，變頻技術産品在國民經濟各行業得到很好應用，資料顯示，2010年低壓變頻器行業增長30%以上，規模達到160億元。一個品質良好的變頻器都應該通過産品質量認證及其完整的試驗，試驗類型包括型式試驗（typetest）、出廠試驗、抽樣試驗、選擇（專門）試驗、驗收試驗、現場調試試驗等。溫升試驗是型式試驗裏的很重要的一項試驗，其溫升值可間接反映出變頻器的工藝結構及電氣設計水平、多種缺陷及故障隱患等。
溫升的上限值過高會造成因過載、過流、環境溫度增加而燒毀變頻器。溫升的上限值過低會帶來變頻器的體積過大、成本增加等不利因素。變頻器的故障率隨溫度升高而成指數上升，使用壽命隨溫度升高而成指數下降，環境溫度升高10度，變頻器使用壽命減半。所以應保證變頻器的使用溫度，認真考慮其散熱問題。
2 變頻器的主要發熱部位及成因
變頻器主電路原理圖如圖1所示，一般分爲整流部分、濾波部分和逆變部分及控制部分。
2。1變頻器的發熱機理及主要發熱部位
變頻器的主要發熱部位也就是整流及逆變部分。整流一般采用三相橋式整流電路，由于是工頻工作，對整流模塊的開關頻率沒有太高的要求，選擇壓降小的整流模塊可降低這一部分的溫升。在變頻器工作時，作爲完成功率變換及輸出的執行器件，逆變模塊産生的熱量是非常大的。
目前主流變頻器的逆變模塊一般采用igbt模塊（insulated gate bipolartransistor絕緣柵雙極型晶體管），igbt是由mosfet和雙極型晶體管複合而成的一種器件，其輸入極爲mosfet，輸出極爲pnp晶體管，因此，可以把其看作是mos輸入的達林頓管。它融和了這兩種器件的優點，既具有mosfet器件驅動簡單和快速的優點，又具有雙極型器件容量大的優點，igbt作爲電壓型控制器件，具有輸入阻抗高、驅動功率小、控制電路簡單、開關損耗小、通斷速度快、工作頻率高、功率容量大等優點，
因而在現代電力電子技術中得到了越來越廣泛的應用。一般情況下流過igbt電流較大，開關頻率較高，故而器件的損耗也比較大，如果熱量不能及時散掉，使得器件的結溫tj超過tjmax，則igbt可能損壞。igbt模塊的芯片最大額定結溫tjmax是150℃，在任何工作條件下，都不允許超過，否則要發生熱擊穿而造成損壞，一般要留余地，在最惡劣條件下，結溫tj限定在125℃以下，但芯片內結溫監測有難度，所以變頻器的igbt模塊，都在散熱器表面裝有溫控開關，其值在80~85℃之間。當達到此溫度時，即因過熱保護動作，從而自動停機，以確保igbt的安全。也有用熱敏電阻進行保護的。igbt的損耗不僅與工作電流大小有關，更重要的是與變頻器的載波頻率密切相關。當pwm信號頻率＞5khz時開關損耗會非常顯著，溫升會明顯增加。igbt的功耗包括穩態功耗和動態功耗，其動態功耗又包括開通功耗和關斷功耗。
其他如半導體器件與導體安川變頻器的連接處、母線（排）、浪湧吸收器與主電路的電阻原件等也在變頻器工作時産生熱量，其溫升極限值在國家標准中也做出相應規定。
2。2 在使用中導致變頻器溫升升高的幾種因素
（1）大多變頻器實際使用都裝在變頻控制櫃裝置內，這就等于改變了變頻器的使用環境條件。如防護等級、環境溫度、通風等，這些因素造成溫升升高。
（2）開關頻率：igbt 的發熱有集中在開和關的瞬間。因此開關頻率高時自然變頻器的發熱量就變大了。
（3）變頻器的溫升試驗應以較嚴酷等級試驗爲依據，除非與用戶達成某種協議。在溫升試驗時應選脈寬調制頻率的上限，不能滿足要求時應考慮降容使用並應在使用手冊中指明。
（4）風道過濾網堵塞、散熱風扇故障及灰塵等。
（5）使用環境溫度過高。
3 變頻器溫升設計要點
溫度上升對igbt參數有很大的影響，嚴重時導致失效甚至損壞。溫度上升包含兩個意思：一是igbt中的電磁場能量轉化爲熱能，主要由于器件中的電阻熱效應；一是器件發熱與外部冷卻之間的相互作用，發生的熱量如果不能及時散發出去，即散發能力不夠，則使溫度上升。如果器件工作溫度超過最高結溫，器件中的晶體管就可能會被破壞，器件也隨即失效，所以應采取各種途徑降低結溫或是讓結溫産生的熱量盡快散發到環境中。
了解了整流及igbt的模塊的溫度要求，就可確定模塊的散熱器的工作溫度，合適的工作溫度既可保證其經濟性又可保證其長期、可靠、安全地運行，比如選擇igbt模塊的散熱器爲80℃作爲設計依據，那麽溫升值爲：
k1= 80℃-k0=80℃-40℃=40℃
其中：k1爲igbt模塊的散熱器溫升值；k0爲最高允許環境溫度。
散熱設計，取決于igbt模塊所允許的最高結溫，在該溫度下，必須要做散熱設計。爲了進行散熱設計，首先要計算出器件産生的損耗，該損耗使結溫升至允許值以下來選擇散熱片。在進行熱設計時，不僅要保證其在正常工作時能夠充分散熱，而且還要保證其在發生短時過載時，igbt的結溫也不超過tjmax。按下列公式可計算出相關數值：
tj=tc+pt×rth（j-c）
其中：rth可以在數據手冊中查到，rth（j-c）爲標定的結殼熱阻，tj爲半導體結溫，pt爲器件的總平均功耗（psw+pss），tc爲模塊的基板溫度。
設計中還要參照其它各部位溫升允許值以及其它的要求，如變頻器的效率、防護等級、電流密度等以此來設計散熱器的體積、風機的容量及母排尺寸等結構上的設計。當然不能忽略其它元器件選型的重要性。
當然，受設備的體積和重量等的限制以及性價比的考慮，散熱系統也不可能無限制地擴大。可在靠近igbt處加裝溫度繼電器、熱敏電阻等，檢測igbt的工作溫度。控制執行機構在發生異常時切斷igbt的輸入，保護其安全。普傳科技研發的變頻器具有特有的逆變模塊（igbt）溫升監控功能，風扇調節可控，適時降低電機噪音和溫升。
實踐中，將igbt安裝固定在散熱器上時應注意以下事項 ：
——由于熱阻隨igbt安裝位置的不同而不同，因此，若在散熱器上僅安裝一個igbt時，應將其安裝在正中間，以便使得熱阻最小；當要安安川伺服馬達裝多個igbt時大型排風扇，應根據每個igbt的發熱情況留出相應的空間；
（1） 使用帶紋路的散熱器時，應將igbt較寬的方向順著散熱器的紋路，以減少散熱器的變形；
（2）散熱器的安裝表面光潔度應≤10μm，如果散熱器的表面不平，將大大增加散熱器與器件的接觸熱阻，甚至在igbt的管芯和管殼之間的襯底上産生很大的張力，損壞igbt的絕緣層；
（3） 爲了減少接觸熱阻，最好在散熱器與igbt模塊間塗抹導熱矽脂。
4 變頻器的溫升試驗
4。1試驗依據
2002年制定的國家標准gb/t12668。2-2002《調速電氣傳動系統第二部分：一般要求—低壓交流變頻電氣傳動系統額定值的規定》給出了低壓變頻器一般額定值規定，在7。3。2“cdm/bdm的標准試驗”中對于溫升的“試驗方法”按《半導體變流器基本要求的規定》gb/t3859。1-1993的6。4。6規定執行。在7。4。2。5“電氣傳動系統”的專門試驗中提到溫升試驗“在要求的最大負載下，以最低轉速、基本轉速和最大轉速進行溫升試驗。溫升試驗進行到所有溫度都穩定爲止”。
在送審的《調速電氣傳動系統第5-1部分：安全要求：電氣、熱和能量》（gb12668。5。1）標准中，給出了“防觸電、熱和能量危險的保護”的規定“當按照設備的額定值進行試驗時，設備及其組成部分所達到的溫度應當不超過表15中給出的溫度”。對“橡膠絕緣導線或熱塑絕緣導線、用戶端子、母線和連接片或接線柱、絕緣系統、電容器、印制線路板”等“內部材料和部件的最大測量溫度”做出了說明。
在gb/t3859。1-1993的“檢驗與實驗”中6。4。6“溫升試驗”中給出了具體要求：溫升試驗的目的在于測定變流器在額定條件下運行時各部件的溫升是否超過規定的極限溫升。半導體器件的溫升極限可以是規定點（例如外殼）的最高溫升，也可以是等效結溫，由制造廠決定。變流器各部位的極限溫升如表1所示。
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