光伏逆变器外壳发热及逆变器散热原理分析

在夏天运行的逆变器，外壳温度比较高触碰会有烫手的感觉。那么逆变器外壳是热好还是不热好？以及为什么外壳会有烫手的感觉？下面就针对这个两问题结合逆变器散热来做一些分析和解答。

一、常见金属导热系数及散热器材料选择

1、常见金属导热性和散热材料的选择，下表为常见金属的导热系数表：

表1 常见金属的导热系数表

由上表知，银导热性最好，铜、金次之，然后是铝，而散热器通常用铝来制作主要因为：相较于金、银、铜而言，铝的重量轻、价格便宜而且耐腐蚀、利用加工设备可以制成各种复杂的形状，能满足电子电力行业对散热器的诸多要求，因此被认为是制作散热器的最佳材料。

图1 散热器实物图

二、热传导和热均衡

表2 关键器件额定工作温度表

逆变器中的元器件都有其额定工作温度，如果逆变器散热性能差，随着逆变器持续工作，元器件的热量传递不到外界，其温度就会越来越高。温度过高会降低元器件性能和寿命，为了保持逆变器内部元器件工作温度在额定温度范围内，保证其效能和使用寿命，就需要导热材料把逆变器内部热量传递出来，

从热传导角度来讲，逆变器内外温度越均衡，即内部发热元器件和散热器、外壳温度越接近，其热能传导性越好。如果逆变器外冷内热，意味着逆变器散热性能不优。这就类似保温杯与普通水杯的关系：

图2 水杯散热原理图

众所周知装有相同温度热水的杯子，普通杯比保温杯散热快，杯壁也比保温杯杯壁烫。这是因为保温杯内外壁之间为真空，无导热介质，因此外壁温度低，内部热量散不出去，达到保温效果；普通杯的杯壁为单层，能较好的传递内部热量，因此外壁发烫但降温比保温杯更快。

逆变器的散热原理与单层杯散热原理类似，能将逆变器内部元器件的热量快速地传递出来，达到迅速降低逆变器内部元器件温度的目的，逆变器提高工作和使用寿命。

由上可知良好的散热性能对于逆变器十分重要，下面就具体讲解逆变器发热和散热的基本原理。

三、逆变器散热和散热设计

1、电路中，有源元器件只要通上电流就会有热量产生。逆变器中主要发热器件有：开关管（IGBT、MOSfet）、磁芯元件（电感、变压器）等。因此，为了保证元器件能在额定温度下工作，系统的散热能力非常重要。

图3（左）功率IGBT模块  图4（右）IGBT管

图5 磁芯元器件

2、逆变器工作时发热是不可避免的，例如一台5kW的逆变器，一般系统发热功率大约是逆变器总功率的1.5-2.5%，其热损耗约为75-125W。因此系统散热降温十分重要，针对小型户用系统，业界通常使用自然散热方式。

3、要使得散热性能优异，可以由以下几点实现：

①散热面积越大效果越好

例如5kW逆变器发热功率为125W，按照60℃时自然冷却可承担最大热流密度为0.05W/cm2算散热面积至少约为0.25m2，为了保证体积不变，增大散热器表面积，散热器表面采用多散热齿加褶皱设计，这样就使散热器与空气接触面积增大，有利于快速散热。

图6 散热器的多散热齿设计

图7散热器的褶皱设计

②外壳-散热器紧密对接结构

图8 散热器与外壳接触区域

图 9（左）整体式外壳 图10（右）非整体式外壳

逆变器外壳为铝合金，具有良好的导热性。如上图，采用整体式外壳结构，散热器与外壳通过较大面积直接紧密连结，元器件的热量能通过散热器直接传递到铝合金外壳上，形成了器件→散热器→外壳→空气的散热路径。

另外，元器件的热量又能通过逆变器内部空气传导到外壳，再经过外壳发散到外部空气中。形成了器件→内部空气→外壳→外部空气的又一条散热路径。

采用非整体式外壳，壳体和散热器之间需要两次连接，接触不紧密。因此，参与散热的只有散热器和一小部分中间壳体，上部壳体不参与散热，使整体散热性能大幅降低。

从上面可以看出，采用整体式外壳结构，散热器与外壳直接紧密连结，让铝合金外壳通过两条路径参与散热，因为更多参与散热，所以逆变器外壳温度相对较高，这一现象的好处在于——外壳良好的导热性，把逆变器内部热量通过壳体更快的传递出来，从而降低了逆变器内部温度和元器件温度，从而保证了元器件和逆变器更长的使用寿命。

③电感外置设计

图11 电感外置设计

如上图所示，电感外置的结构设计可以将将发热器件功率电感外置，降低机箱内温度。电感独立高效散热。

四、逆变器外壳发热和烫手原因

1、为了更好、更快地降低元器件温度，保证元器件更长的使用寿命，采用整体式外壳与散热器紧密接触的设计，使外壳成为系统散热的重要组成部分，散热性能加强，外壳温度较高，这属于逆变器工作的正常现象。

2、体感温度：人体的体感温度在36℃左右，会有温热感；在45℃左右会有烫热感；在50℃左右长时间接触会有烫疼感；在60℃时长时间接触会形成烫伤。

因为逆变器散热的需要和工作环境（户外阳光直射）的特殊性，安规标准规定逆变器外壳温度不能超过70℃，夏天外部环境温度为40℃时，外壳温度一般在55℃～60℃之间，因此人触碰到逆变器外壳时就会有发烫的感觉。

五、总结

从上面元器件温度和寿命的关系，以及逆变器散热结构的原理两个主要角度分析，外壳成为系统散热器件的一部分，能分担元器件的部分热量。虽然外壳温度升高，出现发热，但是逆变器内部元器件温度会降低得更多！更快！从而保证元器件和逆变器更长的使用寿命和正常的工作。

在夏天，外界温度达38℃，这时逆变器外壳温度一般在60℃左右（安规标准逆变器外壳温度不超过70℃），触碰逆变器外壳就会有烫手的感觉。但即使出现发热，也不会造成烫伤。