CN103825430A - 一种采用半导体制冷片散热的变频器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于变频器技术领域，提供了一种采用半导体制冷片散热的变频器，包括结构部分以及电气部分，结构部分包括有塑料壳体，在塑料壳体内设置有底座、散热器、直流风机、电容板、半导体制冷片、IGBT模块、电源板、开关电源板以及主控板，主控板控制散热器正常工作，所述的底座安装的散热器，在散热器的后端固定有直流风机，散热器的前端风道口出安装电容板，半导体制冷片一共为两块且每块分为冷面和热面。本发明的优点在于采用半导体制冷片和风冷共同作用的散热设计的变频器，并通过风机对散热器进行风冷散热，达到良好可靠的散热目的，大大的提高变频器的散热效果，从而达到延长变频器的使用寿命，提高整体可靠性的目的。
Description
技术领域
本发明属于变频器技术领域，涉及一种其内部逆变功率单元模块（IGBT）采用半导体制冷片和风冷共同作用的变频器。
背景技术
变频器作为一种变频调速装置，凭借其优越的控制性能和节能效果，使得其在电力电子、电气传动、工业控制上得到了广泛应用。随着石油化工、纺织印染、冶金造纸、建筑楼宇等等各行业对变频器性能要求的不断提高，高可控性、实用性及可靠性已成为衡量变频器性能的一大指标。
对于变频器中的核心部分——IGBT的散热问题，一直是制约变频器行业发展的一大瓶颈，过高的温升将导致变频器整体可靠性和使用寿命的缩短，严重可导致逆变模块的炸毁，从而对使用者的人身安全造成损害。目前，行业主要采用三种方式进行散热，即水冷、强迫风冷和自然散热。由于成本低、效果较好、强迫风冷的散热方式已逐渐成为各厂家普遍采用的方法。但即便采用风冷散热，其温升也相对较高，不能达到可靠的散热效果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，而提供一种采用半导体制冷片散热的变频器，该变频器大大的提高变频器的散热效果，从而达到延长变频器的使用寿命，提高整体可靠性的目的。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种采用半导体制冷片散热的变频器，包括结构部分以及电气部分，其特征在于，所述的结构部分包括有塑料壳体，在塑料壳体内设置有底座、散热器、直流风机、电容板、半导体制冷片、IGBT模块、电源板、开关电源板以及主控板，主控板控制散热器正常工作，所述的底座安装的散热器，在散热器的后端固定有直流风机，散热器的前端风道口出安装电容板，所述的半导体制冷片一共为两块且每块分为冷面和热面，半导体制冷片固定于散热器平整面之上用于将冷面的热量通过热面及时有效的传导至散热器上，所述的IGBT模块紧贴半导体制冷片的冷面并用塑料隔热套管处理的螺丝紧固，主控板和开关电源板放置于塑壳上方，所述的IGBT模块的针脚焊接于电源板之上，半导体制冷片的输出线分别电连接至开关电源的正负极。
为优化上述方案采取的措施具体包括：
在上述的一种采用半导体制冷片散热的变频器中，所述的半导体制冷片与散热器模块底板规格大小一致，且两块半导体制冷片的热面上均匀涂抹导热硅脂，并将其热面紧贴散热器平整面之上，所述的半导体制冷片的周围固定有隔热垫圈，冷面上同样均匀涂抹导热硅脂，所述的IGBT模块紧贴其冷面并用塑料隔热套管处理的螺丝紧固。
在上述的一种采用半导体制冷片散热的变频器中，所述的开关电源板提供输出24V电压，开关电源板内主要包括振荡回路、稳压和保护回路组成，所述的振荡回路的输入侧通入直流电时，振荡回路起振并输出方波来经交流变换和滤波作用后完成24V电压输出并提供给半导体制冷片工作，稳压和保护回路通过对输出电压的实时监控，将信号反馈进行比较后自动调整输出电压。
在上述的一种采用半导体制冷片散热的变频器中，所述的振荡回路包括启动振荡、高频变换以及滤波步骤，所述的振荡回路由K3878开关管、变压器、UC3844芯片、降压电阻和电解电容组成的启动电路及其UC3844的4管脚外围RC定时元件组成，所述的振荡回路主要完成电源的起振、高频变换和输出相应的PWM波来控制开关管的通断速率。
在上述的一种采用半导体制冷片散热的变频器中，所述的稳压和保护回路由稳压回路和保护回路组成，所述的稳压和保护回路包括脉宽调制、比较放大以及取样步骤，所述的稳压回路主要由基准电压源TL431、PS2501光电耦合器、UC3844内部的电压误差放大器及附属贴片电阻、电容等组成，主要负责将输出的24V电压变化信号反馈至3844芯片内部放大比较，从而使输出的PWM占空比改变，完成24V电压的恒定输出，保护回路一是由3844芯片本身和电流采样电阻组成并用于对输出电流采样，芯片内部进行比较输出，控制电路的停振保护，二是由变压器输入绕组上并联的二极管、色环电阻和瓷片电容组成并用于吸收开关管的反向电压。
在上述的一种采用半导体制冷片散热的变频器中，变频器的电气设计部分包括依次电连接的整流部分、充电回路、滤波部分、逆变部分、控制回路部分和人机界面部分，所述的整流部分包括多个二极管并用于将工频交流电整流为脉动的直流电，供下级电路使用，所述的充电回路用于对冲击电流的抑制、缓冲以及上电作用，所述的滤波部分用于将脉动的直流电变得平缓，消除尖峰电压，逆变部分再将直流电转换为交流电输出，完成整个主回路的动作，控制回路部分包括隔离驱动板、开关电源板和主控板，控制回路部分用于在整个过程中起到对于主回路进行全面调控的作用，所述的隔离驱动板用于输出相应的SPWM脉冲，从而控制IGBT门极的开关速率，达到调节输出电压和输出频率的目的，所述的开关电源板用于达到对电压、频率的实时控制，主控板用于运算和保护电路为辅对各个输入信号进行处理、运算，所述的人机界面部分主要用于使用者对其内部参数的设定、更改和监视以及各项报警和故障输出显示。
在上述的一种采用半导体制冷片散热的变频器中，所述的充电回路由充电电阻和接触器组成，充电电阻用于在上电瞬间给储能电容充电，起到对冲击电流的抑制和缓冲作用，充电完毕后接触器会继而吸合，将充电电阻短路，完成变频器的上电。
在上述的一种采用半导体制冷片散热的变频器中，所述的滤波部分采用大容量电解电容组并用于负责将脉动的直流电变得平缓，消除尖峰电压。
与现有技术相比，本发明的优点在于采用半导体制冷片和风冷共同作用的散热设计的变频器，并通过风机对散热器进行风冷散热，这样变频器整体的温度将大幅度的下降，最终达到良好可靠的散热目的，大大的提高变频器的散热效果，从而达到延长变频器的使用寿命，提高整体可靠性的目的。
附图说明
图1是为本发明的结构部分设计图；
图2是本开关电源板电气设计系统结构框图；
图3是本发明的变频器电气设计主回路图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
图中，直流风机11；IGBT模块12；主控板13；散热器14；电容板15；电源板16；开关电源板17；半导体制冷片18；振荡回路21；稳压和保护回路22；整流部分31；充电电阻32；接触器33；电容组34；隔离驱动板35。
如图1、图2、图3所示，本采用半导体制冷片散热的变频器，包括结构部分以及电气部分。
其中结构结构设计方面所采用的方案是：结构部分包括有塑料壳体，在塑料壳体内设置有底座、散热器14、直流风机11、电容板15、半导体制冷片18、IGBT模块12、电源板16、开关电源板17以及主控板13，主控板13控制散热器14正常工作，底座安装的散热器14，在散热器14的后端固定有直流风机11，散热器14的前端风道口出安装电容板15，半导体制冷片18一共为两块且每块分为冷面和热面，半导体制冷片18固定于散热器14平整面之上用于将冷面的热量通过热面及时有效的传导至散热器14上，IGBT模块12紧贴半导体制冷片18的冷面并用塑料隔热套管处理的螺丝紧固，半导体制冷片18与散热器14模块底板规格大小一致，且两块半导体制冷片18的热面上均匀涂抹导热硅脂，并将其热面紧贴散热器14平整面之上，半导体制冷片18的周围固定有隔热垫圈，这样以防止热量的散失，冷面上同样均匀涂抹导热硅脂，这样以利于将冷面的热量通过热面及时有效的传导至散热器14上，IGBT模块12紧贴其冷面并用塑料隔热套管处理的螺丝紧固，主控板13和开关电源板17放置于塑壳上方，IGBT模块12的针脚焊接于电源板16之上。
电气部分包括开关电源板17电气部分以及变频器电气部分，这里开关电源板17提供输出稳定的24V电压，开关电源板17内主要包括振荡回路21、稳压和保护回路22组成。振荡回路21包括启动振荡、高频变换以及滤波步骤，稳压和保护回路22由稳压回路和保护回路组成，稳压和保护回路22包括脉宽调制、比较放大以及取样步骤。
振荡回路21由K3878开关管、变压器、UC3844芯片、降压电阻和电解电容组34成的启动电路及其UC3844的4管脚外围RC定时元件组成，振荡回路21主要完成电源的起振、高频变换和输出相应的PWM波来控制开关管的通断速率。
稳压回路主要由基准电压源TL431、PS2501光电耦合器、UC3844内部的电压误差放大器及附属贴片电阻、电容等组成，主要负责将输出的24V电压变化信号反馈至3844芯片内部放大比较，从而使输出的PWM占空比改变，完成24V电压的恒定输出。
保护回路一是由3844芯片本身和电流采样电阻等组成，二是由变压器输入绕组上并联的二极管（BYV26G）、色环电阻（100K、3W）和瓷片电容（103、2KV）组成。前者主要对输出电流采样，芯片内部进行比较输出，控制电路的停振保护。后者的作用是吸收开关管的反向电压。
以上将完成24V开关电源板17的设计，在此基础上，将一片半导体制冷片18的红色外引线与另一片制冷片的黑色外引线连接固定，再将两片制冷片分别剩余的黑色和红色外引线正确连接至24V开关电源板17的负极和正极，即完成两者的串联连接，这样便完成了半导体制冷片18的整体布局及电气设计，当变频器和开关电源通电运行时，IGBT模块12底面的热量将通过半导体制冷片18的冷面快速高效的传导至与热面接触的散热器14之上，进而通过风机对散热器14进行风冷散热，这样变频器整体的温度将大幅度的下降，最终达到良好可靠的散热目的。
变频器的电气设计部分包括依次电连接的整流部分31、充电回路、滤波部分、逆变部分、控制回路部分和人机界面部分，整流部分31包括多个二极管并用于将工频交流电整流为脉动的直流电，供下级电路使用，充电回路用于对冲击电流的抑制、缓冲以及上电作用，滤波部分采用大容量电解电容，并用于将脉动的直流电变得平缓，消除尖峰电压，逆变部分再将直流电转换为交流电输出，完成整个主回路的动作，控制回路部分包括隔离驱动板35、开关电源板17和主控板13，控制回路部分用于在整个过程中起到对于主回路进行全面调控的作用，主要分布为开关电源电路、驱动电路、检测电路、保护电路及主控电路等。开关电源主要由3844开关电源芯片、开关管、变压器及其他稳压和校准电路组成，用来为下级电路提供多路稳定电源；驱动电路通过主控芯片和辅助电路输出相应的SPWM脉冲，从而控制IGBT模块12门极的开关速率，检测电路主要通过运算放大器及辅助电路对采样电阻进行信号的放大和比较，实现各项保护功能。主控板13主要在信号的运算处理及各项模拟量、开关量和温度检测的输出上完成变频器的各项控制功能。
隔离驱动板35用于输出相应的SPWM脉冲，从而控制IGBT门极的开关速率，达到调节输出电压和输出频率的目的，开关电源板17用于达到对电压、频率的实时控制，主控板13用于运算和保护电路为辅对各个输入信号进行处理、运算，人机界面部分主要用于使用者对其内部参数的设定、更改和监视以及各项报警和故障输出显示
充电回路由充电电阻32和接触器33组成，充电电阻32用于在上电瞬间给储能电容充电，起到对冲击电流的抑制和缓冲作用，充电完毕后接触器33会继而吸合，将充电电阻32短路，完成变频器的上电。
如图3所示当输入通入三相电后，二极管组成的整流部分31进行整流，将交流电转换为脉动的直流电，再通过充电电阻32给予电容组34充电，待电容组34充满之后，接触器33接收到吸合信号，将其短路，继而滤波电路进行平波作用，最后，逆变部分再将直流电转换为交流电输出，完成整个主回路的动作，开关电源板17和主控板13在整个过程中起到对于主回路进行全面调控的作用，其中开关电源板17会通过驱动电路、开关电源部分、检测电路、保护电路等达到对电压、频率的实时控制，其中主控板13会以DSP主控芯片为核心、其他运算和保护电路为辅对各个输入信号进行处理、运算，从而达到各项控制效果。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神所定义的范围。
Claims (8)
1.一种采用半导体制冷片散热的变频器，包括结构部分以及电气部分，其特征在于，所述的结构部分包括有塑料壳体，在塑料壳体内设置有底座、散热器、直流风机、电容板、半导体制冷片、IGBT模块、电源板、开关电源板以及主控板，主控板控制散热器正常工作，所述的底座安装的散热器，在散热器的后端固定有直流风机，散热器的前端风道口出安装电容板，所述的半导体制冷片一共为两块且每块分为冷面和热面，半导体制冷片固定于散热器平整面之上用于将冷面的热量通过热面及时有效的传导至散热器上，所述的IGBT模块紧贴半导体制冷片的冷面并用塑料隔热套管处理的螺丝紧固，主控板和开关电源板放置于塑壳上方，所述的IGBT模块的针脚焊接于电源板之上，半导体制冷片的输出线分别电连接至开关电源的正负极。
2.根据权利要求1所述的一种采用半导体制冷片散热的变频器，其特征在于，所述的半导体制冷片与散热器模块底板规格大小一致，且两块半导体制冷片的热面上均匀涂抹导热硅脂，并将其热面紧贴散热器平整面之上，所述的半导体制冷片的周围固定有隔热垫圈，冷面上同样均匀涂抹导热硅脂，所述的IGBT模块紧贴其冷面并用塑料隔热套管处理的螺丝紧固。
3.根据权利要求1所述的一种采用半导体制冷片散热的变频器，其特征在于，所述的开关电源板提供输出24V电压，开关电源板内主要包括振荡回路、稳压和保护回路组成，所述的振荡回路的输入侧通入直流电时，振荡回路起振并输出方波来经交流变换和滤波作用后完成24V电压输出并提供给半导体制冷片工作，稳压和保护回路通过对输出电压的实时监控，将信号反馈进行比较后自动调整输出电压。
4.根据权利要求3所述的一种采用半导体制冷片散热的变频器，其特征在于，所述的振荡回路包括启动振荡、高频变换以及滤波步骤，所述的振荡回路由K3878开关管、变压器、UC3844芯片、降压电阻和电解电容组成的启动电路及其UC3844的4管脚外围RC定时元件组成，所述的振荡回路主要完成电源的起振、高频变换和输出相应的PWM波来控制开关管的通断速率。
5.根据权利要求3所述的一种采用半导体制冷片散热的变频器，其特征在于，所述的稳压和保护回路由稳压回路和保护回路组成，所述的稳压和保护回路包括脉宽调制、比较放大以及取样步骤，所述的稳压回路主要由基准电压源TL431、PS2501光电耦合器、UC3844内部的电压误差放大器及附属贴片电阻、电容等组成，主要负责将输出的24V电压变化信号反馈至3844芯片内部放大比较，从而使输出的PWM占空比改变，完成24V电压的恒定输出，保护回路一是由3844芯片本身和电流采样电阻组成并用于对输出电流采样，芯片内部进行比较输出，控制电路的停振保护，二是由变压器输入绕组上并联的二极管、色环电阻和瓷片电容组成并用于吸收开关管的反向电压。
6.根据权利要求1所述的一种采用半导体制冷片散热的变频器，其特征在于，变频器的电气设计部分包括依次电连接的整流部分、充电回路、滤波部分、逆变部分、控制回路部分和人机界面部分，所述的整流部分包括多个二极管并用于将工频交流电整流为脉动的直流电，供下级电路使用，所述的充电回路用于对冲击电流的抑制、缓冲以及上电作用，所述的滤波部分用于将脉动的直流电变得平缓，消除尖峰电压，逆变部分再将直流电转换为交流电输出，完成整个主回路的动作，控制回路部分包括隔离驱动板、开关电源板和主控板，控制回路部分用于在整个过程中起到对于主回路进行全面调控的作用，所述的隔离驱动板用于输出相应的SPWM脉冲，从而控制IGBT门极的开关速率，达到调节输出电压和输出频率的目的，所述的开关电源板用于达到对电压、频率的实时控制，主控板用于运算和保护电路为辅对各个输入信号进行处理、运算，所述的人机界面部分主要用于使用者对其内部参数的设定、更改和监视以及各项报警和故障输出显示。
7.根据权利要求6所述的一种采用半导体制冷片散热的变频器，其特征在于，所述的充电回路由充电电阻和接触器组成，充电电阻用于在上电瞬间给储能电容充电，起到对冲击电流的抑制和缓冲作用，充电完毕后接触器会继而吸合，将充电电阻短路，完成变频器的上电。
8.根据权利要求6所述的一种采用半导体制冷片散热的变频器，其特征在于，所述的滤波部分采用大容量电解电容组并用于负责将脉动的直流电变得平缓，消除尖峰电压。
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