散热方案选择主要取决于光伏逆变器功率

摘要：随着光伏逆变器外形尺寸缩小和单机功率提高，对散热设计的要求越来越高。设计者必须综合考虑逆变器散热系统的散热效果、防护性、可安装性、可维护性，以及所付出的经济代价。其中，单机功率，是设计散热方案的重要依据。

逆变器散热技术包括自然冷却、强制风冷、液冷和相变冷却等形式。各种形式的工作原理和特点，如表1所示。

研究表明，强制风冷的散热效率是自然冷却的10~20倍，更高效的散热方式还有液冷。从结构复杂程度和实现的难易程度来看，强制风冷散热系统比液冷系统简单、容易实现、可靠性高。因而，在电源行业首选强制风冷散热方式，其次考虑自然冷却、液冷等散热方式。


图1 散热方式与热流密度的关系（注：图片引自美国内华达大学Yunus A.Cengel教授所著《Heat and Mass Transfer: Fundamentals and Applications》一书）
热流密度是指单位时间内，通过物体单位横截面积上的热量。如图1所示，在同等允许温升范围内，系统热流密度越大，所需的散热方式越苛刻。

通常情况，电子元器件允许工作温升在40~60℃范围内。在温升60℃的允许上限条件下，自然冷却可承担最大热流密度为0.05W/cm2。当热流密度大于0.05W/cm2时，通过一些特殊手段可是自然冷却勉强提高散热效果，但需要牺牲工作性能、器件寿命或经济性等作为代价。在热流密度大于0.05W/cm2时，采用强制风冷散热方式，可得到令人满意的综合性能和经济性。当热流密度继续增大时，则需要选择液冷等其他散热方式。对于功率都在几MW的大型风能变流器，散热方式都是选用液冷；功率在100KW到1MW之间的集中型光伏逆变器，散热方式为强制风冷；而功率从几千瓦到几十千瓦的组串式光伏逆变器，则根据单机功率的从小到大，散热设计也从自然散热提升到强制风冷散热。


图2 组串式光伏逆变器散热方式选择
将理论分析转换为实际产品在散热方案上的比较选择，科学指导组串型光伏逆变器在产品设计上的散热方案应用。如图2所示，当功率小于20kW时，采用自然冷却可实现产品体积、重量与综合性能的最优匹配；当功率大于25kW时，散热热流密度较大，强制风冷则是比较经济、高效的实用手段；当功率在20kW至25kW之间，采用自然冷却和强制风冷所产生的综合性价比相当。市面上不同功率段逆变器所采用的散热方式如表2所示。

表2 不同功率逆变器所采用的散热方式

总结：散热技术包括自然冷却、强制风冷、液冷、相变冷却等形式，主要根据逆变器的功率进行选用。
组串式光伏逆变器一般工作在70℃以上的屋顶户外环境，高温环境下系统散热对产品的性能和寿命影响尤为重要。功率在20kW以下的逆变器，可以采用自然冷却方式；而功率在25kW以上的逆变器，采用强制风冷方式更为适宜。