光伏逆變器是光伏系統非常重要的一個設備，主要作用是把光伏組件發出來的直流電變成交流電，除此之外，逆變器還承擔檢測組件、電網、電纜運行狀態，和外界通信交流，系統安全管家等重要功能。在光伏行業標準NB32004-2013中，逆變器有100多個嚴格的技術參數，每一個參數合格才能拿到證書。國家質檢總局每一年也會抽查，對光伏并網逆變器產品的保護連接、接觸電流、固體絕緣的工頻耐受電壓、額定輸入輸出、轉換效率、諧波和波形畸變、功率因數、直流分量、交流輸出側過/欠壓保護等9個項目進行了檢驗。一款全新的逆變器，從開發到量產，要兩年多時間才能出來，除了過欠電壓保護等功能外，逆變器還有很多鮮為人知的黑科技，如漏電流控制、散熱設計、電磁兼容、諧波抑制，效率控制等等，需要投入大量的人力和物力去研發和測試。

本文主要介紹逆變器的散熱設計技術

1、逆變器為什么要散熱

現在是寒冬季節，很多人都在擔心逆變器能不能挨凍，實際上，很少有逆變器有被凍壞的，逆變器最重要的問題是熱的問題，通過世界上著名調查BCC報告，目前大部分電子產品失效的55%的原因是由于散熱做得不好，電子器件工作的可靠性對溫度卻十分敏感，器件溫度在70-80度水平上每增加1度，可靠性就會下降5%。溫度過高將會使逆變器的壽命縮短，機器可靠性降低。

2、逆變器散熱的幾種方式

散熱系統占了逆變器硬成本的15%左右。主要包括散熱器，冷卻風扇，導熱硅脂等材料。目前逆變器散熱方式主要有兩種：一是自然散熱，二是強制風冷。

（1） 自然散熱

自然散熱的冷卻方法是指不使用任何外部輔助能量的情況下，實現局部發熱器件向周圍環境散熱達到溫度控制的目的，這其中通常都包含了導熱、對流和輻射三種主要傳熱方式，其中對流以自然對流方式為主，自然散熱或冷卻往往適用對溫度控制要求不高、器件發熱的熱流密度不大的低功耗器件和部件，以及密封或密集組裝的器件不宜（或不需要）采用其它冷卻技術的情況下。目前單相逆變器和30kW以下的三相逆變器，大部分廠家都可以實現自然散熱，少部分廠家100kW的三相逆變器也可以實現自然散熱。

（2）強制散熱

強制散熱的冷卻方法主要是借助于風扇等強迫器件周邊空氣流動，從而將器件散發出的熱量帶走的一種方法。這種方法是一種操作簡便、收效明顯的散熱方法。如果部件內元器件之間的空間適合空氣流動或適于安裝局部散熱器，就可盡量使用這種冷卻方法。提高這種強迫對流傳熱能力的方法，增大散熱面積和在散熱表面產生比較大的強迫對流傳熱系數。增大散熱器表面的散熱面積來增強電子元器件的散熱，在實際工程中得到了非常廣泛的應用。工程中主要是采用肋片來擴展散熱器表面的散熱面積以達到強化傳熱的目的。散熱器本身材料的選擇跟其散熱性能有著直接的關系。目前，散熱器的材料主要是用銅或鋁，其擴展換熱面經折疊鰭/沖壓薄鰭等工藝制成。

（3）兩種散熱方式對比

自然散熱沒有風扇，噪聲低，但散熱速度慢，一般用于小功率的逆變器，強制風冷要配置風扇，噪聲大，但散熱速度快，一般用于大功率的逆變器，在中功率的組串式逆變器，兩種方式都有。通過組串式逆變器散熱能力對比實驗發現，50kW功率等級以上的組串式逆變器，強制風冷的散熱效果要優于自然冷卻散熱方式，逆變器內部電容、IGBT等關鍵部件溫升降低了20℃左右，可確保逆變器長壽命高效工作，而采用自然冷卻方式的逆變器溫升高，元器件壽命降低。強制風冷也有采用高速風扇和中速風扇兩種，采用高速風扇可以減少散熱器的體積和重量，但會增加噪聲，風扇壽命也比較短，采用中等調速風扇，散熱器稍微大一些，但是在低功率時，風扇不轉，在中功率時風扇低速運行，實際是逆變器滿功率運行時間不是很多，因此風扇的壽命可以很長。

3、逆變器散熱設計

逆變器散熱系統主要任務是：選擇合理的散熱和冷卻方法，設計有效的散熱系統,把電子元器件的溫度控制在規定的數值之下,在熱源至外部環境之間提供一條低熱阻通道,以確保熱量能夠順利地散發出去。

（1）損耗計算

要設計散熱系統，首先要計算逆變器的熱量，逆變器主要產生熱量的器件是功率開關管和濾波電感，變壓器。其中變壓器和電感的效率可以和生產廠家協商定制。功率開關管的損耗可以由軟件仿真計算出來，其損耗大小和輸出電流，直流電壓，功率因數，過載系數，調制系數，輸出頻率有關。

英飛凌公司的損耗仿真軟件是IPOSIM。擁有友好的界面，容易使用，功能豐富，不需要其它軟件平臺來支持運行等很多優點。它能夠計算基于正弦輸出電流條件下IGBT和續流二極管的導通損耗和開關損耗，進而分析其溫度特性。

（2）、冷卻方法選擇

電子設備的熱設計,首先要從確定設備的冷卻方法開始,冷卻方法的選擇應根據熱流密度、溫升要求、可靠性要求以及尺寸、重量、經濟性和安全性等因素,選擇最簡單、有效的冷卻方法。根據熱流密度和溫升要求選擇加散熱片強迫風冷。強迫風冷散熱工作可靠、易于維修保養、成本相對較低,是一種較好的冷卻方法，所以在需要散熱的電子設備冷卻系統中被廣泛采用，同時也是高功率器件采取的主要冷卻形式。

（3）熱設計步驟

對于具有散熱器的強迫風冷散熱設計比較復雜,以下就這種相對復雜的情況給出基本方法和步驟：

A、綜合考慮設備結構、風壓、成本和散熱效率等因素,并結合熱仿真軟件仿真結果,確定散熱器結構參數；

B、由發熱量并根據熱平衡方程, 初步確定風機；

C、利用風機和設計合理的風道對整機進行熱設計；

D、 利用熱仿真軟件進行熱設計仿真，若最終確定的元器件溫度超過了允許值，則還需調整散熱器結構參數、重新選擇風機并重復上述步驟。最終的設計使機箱內各器件溫度控制在允許值以下，并達到散熱系統的最優化。

（4）散熱器設計

散熱器的設計要綜合考慮電子設備的結構要求、成本、風壓、散熱效率和加工工藝等條件。散熱器的肋片以薄為宜，但過薄則加工困難。在散熱器外形尺寸一定時，肋片間距越小則熱阻越小，但間距過小會增大風阻，反而影響散熱。增大肋片高度可增大散熱面積，也就是可增大散熱量。但對于等截面直肋，肋片高度增加到一定程度后，傳熱量就不再增加了，若再繼續增加肋高，則會導致肋片效率急劇下降，并且會增大風阻。

（5）整機風道設計

風道設計的基本原則如下：

A、應盡量增大穿過散熱器肋片間的空氣流量和流速，以提高散熱效果；

B、要減少風道風阻,以防止氣流的壓力損失過大；

C、出口風道還應保證熱氣流能順利排出。

（6）熱設計仿真

常用的熱仿真軟件有Flotherm，FloEFD，Icepak，和 6SigmaET等，利用軟件可比較真實地模擬系統的熱狀況，在設計過程中就能預測到各元器件的工作溫度值，這樣就可糾正不合理的布排，取得良好的布局，從而縮短設計的研制周期，降低成本，提高產品一次成功率。可以對電子設備進行有效的熱控制，使它在規定的溫度極限內工作，從而可以提高電子設備的可靠性。

4、逆變器最新散熱技術

隨著電子技術的向前發展，逆變器在散熱方面也取得了很大的進步，逆變器的體積因此可以做到越來越小，重量越來越輕，價格也越來越便宜。

（1）多電平技術：功率器件兩端的電壓越高，內阻越高，開關頻率越高，損耗就越大，近年來推出的三電平，五電平結構，電壓只有二電平的一半或者四分之一，開關頻率也可以減少到二電平的一半或者四分之一，因此多電平技術可以減少損耗。

（2）軟開關技術：應用諧振原理，使得開關器件中的電流或者電壓按正弦或者準正弦規律變化，當電流自然過零時，關斷器件；當電壓自然過零時，開通器件。從而減少了開關損耗，同時極大地解決了感性關斷，容性開通等問題。軟開關通過檢測開關管的電流或者其他技術，做到當開關管兩端的電壓或流過開關管的電流為零時才導通或者關斷，這樣開關管不會存在開關損耗。

（3）分腔管理：逆變器中最容量受溫度影響的器件是傳感器，運放，電解電容等器件，功率開關管、電感、電纜等器件比較耐高溫，一般采用采用分腔的方法隔開發熱元器件，將發熱器件功率電感放在逆變器外面，降低機箱內溫度。整體式外殼結構，散熱器與外殼直接緊密連結，讓鋁合金外殼通過兩條路徑參與散熱，從而降低了逆變器內部溫度和元器件溫度，從而保證了元器件和逆變器更長的使用壽命。

（4）新的材料：如利用碳化硅材料的IGBT，內阻可以做得很低，從而減少損耗。

5、系統安裝時要注意散熱方面的事情

逆變器本身是一個發熱源，所有的熱量都要及時散發出來，不能放在一個封閉的空間，否則溫度會越升越高，逆變器要放在一個空氣流通的空間，要盡量避免陽光直射。多臺逆變器裝在一起時，為了避免相互影響，逆變器和逆變器之間要留有足夠的距離。