逆變器外殼發熱及逆變器散熱原理分析

在夏天運行的逆變器，外殼溫度比較高觸碰會有燙手的感覺。那麼逆變器外殼是熱好還是不熱好？以及為什麼外殼會有燙手的感覺？下面就針對這個兩問題結合逆變器散熱來做一些分析和解答。

1、 常見金屬導熱性和散熱材料的選擇，下表為常見金屬的導熱係數表：

表1常見金屬的導熱係數表

由上表知，銀導熱性最好，銅、金次之，然後是鋁，而散熱器通常用鋁來製作主要因為：相較於金、銀、銅而言，鋁的重量輕、價格便宜而且耐腐蝕、利用加工設備可以製成各種複雜的形狀，能滿足電子電力行業對散熱器的諸多要求，因此被認為是製作散熱器的最佳材料。

圖1散熱器實物圖

關鍵器件

額定工作溫度

電感

120℃

電流傳感器

85℃

繼電器

85℃

電解電容

105℃

二極體

175℃

IGBT

175℃

表2關鍵器件額定工作溫度表

逆變器中的元器件都有其額定工作溫度，如果逆變器散熱性能差，隨著逆變器持續工作，元器件的熱量傳遞不到外界，其溫度就會越來越高。溫度過高會降低元器件性能和壽命，為了保持逆變器內部元器件工作溫度在額定溫度範圍內，保證其效能和使用壽命，就需要導熱材料把逆變器內部熱量傳遞出來， 

從熱傳導角度來講，逆變器內外溫度越均衡，即內部發熱元器件和散熱器、外殼溫度越接近，其熱能傳導性越好。如果逆變器外冷內熱，意味著逆變器散熱性能不優。這就類似保溫杯與普通水杯的關係：

圖2水杯散熱原理圖

眾所周知裝有相同溫度熱水的杯子，普通杯比保溫杯散熱快，杯壁也比保溫杯杯壁燙。這是因為保溫杯內外壁之間為真空，無導熱介質，因此外壁溫度低，內部熱量散不出去，達到保溫效果；普通杯的杯壁為單層，能較好的傳遞內部熱量，因此外壁發燙但降溫比保溫杯更快。

逆變器的散熱原理與單層杯散熱原理類似，能將逆變器內部元器件的熱量快速地傳遞出來，達到迅速降低逆變器內部元器件溫度的目的，逆變器提高工作和使用壽命。

由上可知良好的散熱性能對於逆變器十分重要，下面就具體講解逆變器發熱和散熱的基本原理。

1、電路中，有源元器件只要通上電流就會有熱量產生。逆變器中主要發熱器件有：開關管（IGBT、MOSfet）、磁芯元件（電感、變壓器）等。因此，為了保證元器件能在額定溫度下工作，系統的散熱能力非常重要。

                  

                           圖3功率IGBT模塊                       

 圖4 IGBT管

圖5磁芯元器件

2、逆變器工作時發熱是不可避免的，例如一臺5kW的逆變器，一般系統發熱功率大約是逆變器總功率的1.5-2.5%，其熱損耗約為75-125W。因此系統散熱降溫十分重要，針對小型戶用系統，業界通常使用自然散熱方式。

3、要使得散熱性能優異，可以由以下幾點實現：

例如5kW逆變器發熱功率為125W，按照60℃時自然冷卻可承擔最大熱流密度為0.05W/cm2算散熱面積至少約為0.25m2 ，為了保證體積不變，增大散熱器表面積，散熱器表面採用多散熱齒加褶皺設計 ，這樣就使散熱器與空氣接觸面積增大，有利於快速散熱。

圖6散熱器的多散熱齒設計

   

圖7散熱器的褶皺設計

圖8散熱器與外殼接觸區域

  

                   圖9整體式外殼                          

  

                               圖10非整體式外殼

逆變器外殼為鋁合金，具有良好的導熱性。如上圖，採用整體式外殼結構，散熱器與外殼通過較大面積直接緊密連結，元器件的熱量能通過散熱器直接傳遞到鋁合金外殼上，形成了器件→散熱器→外殼→空氣  的散熱路徑。

另外，元器件的熱量又能通過逆變器內部空氣傳導到外殼，再經過外殼發散到外部空氣中。形成了 器件→內部空氣→外殼→外部空氣  的又一條散熱路徑。

採用非整體式外殼，殼體和散熱器之間需要兩次連接，接觸不緊密。因此，參與散熱的只有散熱器和一小部分中間殼體，上部殼體不參與散熱，使整體散熱性能大幅降低。

從上面可以看出，採用整體式外殼結構，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，因為更多參與散熱，所以逆變器外殼溫度相對較高，這一現象的好處在於——外殼良好的導熱性，把逆變器內部熱量通過殼體更快的傳遞出來，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 。

③ 電感外置設計

圖11電感外置設計

如上圖所示，電感外置的結構設計可以將將發熱器件功率電感外置，降低機箱內溫度。電感獨立高效散熱。

1、 為了更好、更快地降低元器件溫度，保證元器件更長的使用壽命，採用整體式外殼與散熱器緊密接觸的設計，使外殼成為系統散熱的重要組成部分，散熱性能加強，外殼溫度較高，這屬於逆變器工作的正常現象。

2、 體感溫度：人體的體感溫度在36℃左右，會有溫熱感；在45℃左右會有燙熱感；在50℃左右長時間接觸會有燙疼感；在60℃時長時間接觸會形成燙傷。

因為逆變器散熱的需要和工作環境（戶外陽光直射）的特殊性，安規標準規定逆變器外殼溫度不能超過70℃，夏天外部環境溫度為40℃時，外殼溫度一般在55℃ ～60℃之間，因此人觸碰到逆變器外殼時就會有發燙的感覺。

從上面元器件溫度和壽命的關係，以及逆變器散熱結構的原理兩個主要角度分析，外殼成為系統散熱器件的一部分，能分擔元器件的部分熱量。雖然外殼溫度升高，出現發熱，但是逆變器內部元器件溫度會降低得更多！更快！從而保證元器件和逆變器更長的使用壽命和正常的工作。 

在夏天，外界溫度達38℃，這時逆變器外殼溫度一般在60℃左右（安規標準逆變器外殼溫度不超過70℃），觸碰逆變器外殼就會有燙手的感覺。但即使出現發熱，也不會造成燙傷。