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摘 要：本文对大功率逆变器柜体结构强度及热设计进行了分析和探讨，旨在进一步促进大功率逆变器的应用。
关键词：大功率逆变器;柜体结构;热设计;仿真分析
1逆变器概述
随着技术的进步，逆变器正在從传统的工频隔离向中频隔离方向发展。传统的工频隔离逆变器为了实现负载设备和网压电压的隔离，输入端需使用工频隔离变压器，这样会导致系统体积大、成本高，而且隔离变压器的体积和重量随着负载变化而变化，负载越大，体积和重量也越大。为解决传统逆变器存在的问题，中频隔离方案随之提出。中频隔离逆变器比传统的逆变器增加了一个DC/DC变换环节，通过DC/DC变换，不仅可以把输入侧直流电压变为逆变器的输入直流电压，还可以利用中频变压器实现电网与负载设备的隔离，同时为了保证三相四线制输出，后端采用四桥臂逆变器输出。
与传统的逆变器相比，大型中频隔离逆变器在DC/DC部分增加了2个用于直流变换的逆变桥臂和一组整流二极管，在逆变器侧增加了一个用于实现中性点功能的逆变桥臂。在产品实际工作时，DC/DC和四桥臂逆变器的IGBT在高频控制下会产生开关损耗和通态损耗，使IGBT结温升高，如不能及时降温，会影响IGBT的工作性能，严重时会导致器件损坏，使车辆无法正常运行。由于轨道交通产品的特殊性，逆变器柜体结构非常紧凑，散热系统容许空间有限，这在一定程度上增加了散热难度，需要在设计过程中首先验证散热系统设计的合理性。如果采用理论计算，计算精度难以保证，需要耗费大量的时间，并且计算结果不能够直观地表现出来。本文提出用有限元仿真的方法来验证中频隔离辅助逆变电源散热器结构设计的合理性。有限元仿真相对于纯理论分析更为简便，并且可以依据结果直观给出热云图，从而更好地对散热结构进行优化，减低设计难度，提高精确性。
2柜体结构强度分析
中频隔离逆变器柜体内部主要有主电路模块、控制单元模块、功率模块（带有风机）、磁性元器件模块四部分。
主电路模块包含接触器、电容、线缆等器件，这些器件基本上不产生热量，因此可以不予分析;控制单元模块由各种电路板组成，发热量也很小。磁性元器件模块虽然会发热，但由于是置于风道中，并具备一定散热能力，同时绝缘等级为H级，可承受最大温度为220℃，因此在热仿真分析中也可以忽略。功率模块是热仿真重点分析的对象，功率模块由构成各个逆变桥臂的IGBT、散热器、冷却风扇、风道等组成，其中IGBT组成的各个逆变桥臂是柜体内部发热最大的部分。散热器起到快速扩散IGBT热量的作用;二极管器件起到整流作用，由工程经验，发热量不大;风扇和风道直接影响着散热器的性能。因此，这里着重对功率模块做仿真分析。在仿真分析前，还需要对柜体的结构模型做一些简化工作，如加强筋、紧固件及与热无关的一些器件空间都可以省去。经过合理简化的模型可以在保证精度的前提下，大大提高仿真分析的效率，节省大量时间。
3热仿真分析的输入参量
输入参量是指在有限元仿真初始阶段给出的起始变量，这直接关系到有限元仿真的准确度。它包含的内容有：仿真类型、环境参数、流体类型、边界条件、损耗激励以及材料类型。这些条件的设置情况如下。
仿真类型：内部流体仿真中频隔离逆变器柜体的冷却设计采用风道密闭结构，对功率模块的散热在柜体内部进行。
环境参数：环境温度设为32℃，标准大气压，散热器初始温度定为32℃。
流体类型：强迫风冷（风机散热）。
边界条件：由于采用风机强迫风冷散热，柜体内部的压力差由冷却风机提供，所以可将入风口与出风口定为环境压力（101325Pa），同时为了模拟两处风口的挡风板对风速产生的阻尼作用，可用多空介质来模拟阻尼。
损耗激励：DC/DC部分的控制频率为20kHz，逆变器部分控制频率为4.5kHz。DC/DC变换器部分IGBT损耗设定为850W（2桥臂），4桥臂逆变器部分IGBT损耗为400W（4桥臂）。
材料类型：铝型材散热器，铝镁合金柜体，其中基板面材料为6061，肋片材料为1031。风机选型：风机选用ROSENBORG的DKHR280-2SW.087.5DF。
4仿真分析
仿真完成后对数据的分析是非常重要的，通过仿真结果观察散热器设计器和器件选型是否合理，如果与最初设计不符，需要通过改变结构参数进行优化。
4.1风速与压差
在模型中依据风机特性、散热器和风道结构得出的散热器内部风速为13m/s，延程压力损失为340Pa。对出、入口风速与压差数据进行后处理，可以帮助设计师判断风机是否正常运行。当人在现场采集数据时，在柜体带电运行时无法对功率模块的温度以及风机的具体运行情况进行检测，因此常常根据出入口风速与压差来对上述工况进行判断。由于柜体进出风口挡风板、散热器风阻以及风道本身延程阻力的影响，使其入风口风速与出风口风速存在一定差值。
4.2温度
在试验条件允许的情况下，可以采集到散热器表面的温度，对散热器温度云图的后处理操作可以用于与试验数据进行比较。由仿真结果可得，DC/DC部分散热器板面最大温升为72K，最高板面温度为104℃;逆变器部分板面最大温升约为48K，最高板面温度为80℃。
5结束语
（1）本文基于有限元分析对中频隔离辅助电源系统进行了热有限元仿真，得出了逆变器部分以及DC/DC部分的温度曲线。
（2）结合试验数据，将试验温度曲线与仿真曲线进行了比较，最大误差结果为7%，该误差主要是由于仿真模型的简化、试验数据测量仪器的误差造成的，在具体应用时，可以通过预留合理的设计余量来进行误差弥补，从而验证了该仿真方法的可行性。
参考文献
[1]李媛，陆晓东，周涛.光伏逆变器用大功率开关晶体管结构参数的设计[J].微处理机，2017（6）：42-46.
[2]曹靖，童朝南，周京华，等.一种并网逆变器的新型复合控制设计[J].仪器仪表学报，2017（5）.
[3]徐刚，陈增禄.一种新型结构的PR调节器在并网逆变器中的应用[J].智能电网，2016，4（5）：493-498.
关键词：大功率逆变器;柜体结构;热设计;仿真分析
1逆变器概述
随着技术的进步，逆变器正在從传统的工频隔离向中频隔离方向发展。传统的工频隔离逆变器为了实现负载设备和网压电压的隔离，输入端需使用工频隔离变压器，这样会导致系统体积大、成本高，而且隔离变压器的体积和重量随着负载变化而变化，负载越大，体积和重量也越大。为解决传统逆变器存在的问题，中频隔离方案随之提出。中频隔离逆变器比传统的逆变器增加了一个DC/DC变换环节，通过DC/DC变换，不仅可以把输入侧直流电压变为逆变器的输入直流电压，还可以利用中频变压器实现电网与负载设备的隔离，同时为了保证三相四线制输出，后端采用四桥臂逆变器输出。
与传统的逆变器相比，大型中频隔离逆变器在DC/DC部分增加了2个用于直流变换的逆变桥臂和一组整流二极管，在逆变器侧增加了一个用于实现中性点功能的逆变桥臂。在产品实际工作时，DC/DC和四桥臂逆变器的IGBT在高频控制下会产生开关损耗和通态损耗，使IGBT结温升高，如不能及时降温，会影响IGBT的工作性能，严重时会导致器件损坏，使车辆无法正常运行。由于轨道交通产品的特殊性，逆变器柜体结构非常紧凑，散热系统容许空间有限，这在一定程度上增加了散热难度，需要在设计过程中首先验证散热系统设计的合理性。如果采用理论计算，计算精度难以保证，需要耗费大量的时间，并且计算结果不能够直观地表现出来。本文提出用有限元仿真的方法来验证中频隔离辅助逆变电源散热器结构设计的合理性。有限元仿真相对于纯理论分析更为简便，并且可以依据结果直观给出热云图，从而更好地对散热结构进行优化，减低设计难度，提高精确性。
2柜体结构强度分析
中频隔离逆变器柜体内部主要有主电路模块、控制单元模块、功率模块（带有风机）、磁性元器件模块四部分。
主电路模块包含接触器、电容、线缆等器件，这些器件基本上不产生热量，因此可以不予分析;控制单元模块由各种电路板组成，发热量也很小。磁性元器件模块虽然会发热，但由于是置于风道中，并具备一定散热能力，同时绝缘等级为H级，可承受最大温度为220℃，因此在热仿真分析中也可以忽略。功率模块是热仿真重点分析的对象，功率模块由构成各个逆变桥臂的IGBT、散热器、冷却风扇、风道等组成，其中IGBT组成的各个逆变桥臂是柜体内部发热最大的部分。散热器起到快速扩散IGBT热量的作用;二极管器件起到整流作用，由工程经验，发热量不大;风扇和风道直接影响着散热器的性能。因此，这里着重对功率模块做仿真分析。在仿真分析前，还需要对柜体的结构模型做一些简化工作，如加强筋、紧固件及与热无关的一些器件空间都可以省去。经过合理简化的模型可以在保证精度的前提下，大大提高仿真分析的效率，节省大量时间。
3热仿真分析的输入参量
输入参量是指在有限元仿真初始阶段给出的起始变量，这直接关系到有限元仿真的准确度。它包含的内容有：仿真类型、环境参数、流体类型、边界条件、损耗激励以及材料类型。这些条件的设置情况如下。
仿真类型：内部流体仿真中频隔离逆变器柜体的冷却设计采用风道密闭结构，对功率模块的散热在柜体内部进行。
环境参数：环境温度设为32℃，标准大气压，散热器初始温度定为32℃。
流体类型：强迫风冷（风机散热）。
边界条件：由于采用风机强迫风冷散热，柜体内部的压力差由冷却风机提供，所以可将入风口与出风口定为环境压力（101325Pa），同时为了模拟两处风口的挡风板对风速产生的阻尼作用，可用多空介质来模拟阻尼。
损耗激励：DC/DC部分的控制频率为20kHz，逆变器部分控制频率为4.5kHz。DC/DC变换器部分IGBT损耗设定为850W（2桥臂），4桥臂逆变器部分IGBT损耗为400W（4桥臂）。
材料类型：铝型材散热器，铝镁合金柜体，其中基板面材料为6061，肋片材料为1031。风机选型：风机选用ROSENBORG的DKHR280-2SW.087.5DF。
4仿真分析
仿真完成后对数据的分析是非常重要的，通过仿真结果观察散热器设计器和器件选型是否合理，如果与最初设计不符，需要通过改变结构参数进行优化。
4.1风速与压差
在模型中依据风机特性、散热器和风道结构得出的散热器内部风速为13m/s，延程压力损失为340Pa。对出、入口风速与压差数据进行后处理，可以帮助设计师判断风机是否正常运行。当人在现场采集数据时，在柜体带电运行时无法对功率模块的温度以及风机的具体运行情况进行检测，因此常常根据出入口风速与压差来对上述工况进行判断。由于柜体进出风口挡风板、散热器风阻以及风道本身延程阻力的影响，使其入风口风速与出风口风速存在一定差值。
4.2温度
在试验条件允许的情况下，可以采集到散热器表面的温度，对散热器温度云图的后处理操作可以用于与试验数据进行比较。由仿真结果可得，DC/DC部分散热器板面最大温升为72K，最高板面温度为104℃;逆变器部分板面最大温升约为48K，最高板面温度为80℃。
5结束语
（1）本文基于有限元分析对中频隔离辅助电源系统进行了热有限元仿真，得出了逆变器部分以及DC/DC部分的温度曲线。
（2）结合试验数据，将试验温度曲线与仿真曲线进行了比较，最大误差结果为7%，该误差主要是由于仿真模型的简化、试验数据测量仪器的误差造成的，在具体应用时，可以通过预留合理的设计余量来进行误差弥补，从而验证了该仿真方法的可行性。
参考文献
[1]李媛，陆晓东，周涛.光伏逆变器用大功率开关晶体管结构参数的设计[J].微处理机，2017（6）：42-46.
[2]曹靖，童朝南，周京华，等.一种并网逆变器的新型复合控制设计[J].仪器仪表学报，2017（5）.
[3]徐刚，陈增禄.一种新型结构的PR调节器在并网逆变器中的应用[J].智能电网，2016，4（5）：493-498.