1、武汉理工大学毕业设计（论文） 1 目录 目录 . 1 摘要 . 1 ABSTRACT . 2 1绪论 . 3 1.1 研究的目的及意义 . 3 1.2 国内外研究现状 . 4 1.2.1 DC/DC 电源变换器发展现状 . 4 1.2.2 热分析研究现状 . 5 1.3 光伏电源设计思路 . 7 1.3.1 实施方案及可行性 . 8 1.4 设计内容 . 9 2方案的选择 . 10 2.1 控制方案的选择 . 10 2.1.1 高频方案 . 10 2.1.2 工频方案 . 11 2.1.3 两种方案的对比 . 11 2.2 SPWM 控制技术 . 12 2.2.1 SPWM 技术简介 . 12
2、 2.2.2 SPWM 技术的优缺点 . 13 3逆变器器机箱热分析研究 . 18 3.1 热分析的基本原理 . 18 3.1.1 热分析软件 ICEPAK 简介 . 19 3.1.2 流体力学基础 -N-S 方程 . 20 3.1.3 数值法求解温度场比较 . 错误 !未定义书签。 3.2 逆变器热分析 . 21 3.2.1 机箱特定参数 . 21 3.2.2 热设计参数计算 . 22 3.2.3 散热方案选择 . 23 3.4 本章小结 . 25 3 6kWMOS 管逆变器机箱热仿真分析 . 26 3.1 热仿真试验 . 26 武汉理工大学毕业设计（论文） 2 3.2 设计参数对散热结果影
3、响 . 31 3.2.1 散热方式对散热结果的影响 . 31 3.2.2 散热片参数对散热结果的影响 . 32 3.2.3 风道结构对散热结果的影响 . 34 3.2.4 热源布置对散热结构的影响 . 35 3.3 功率管逆变器优化方案确定 . 36 3.4 本章小结 . 42 4电源机箱三维设计 . 43 4.2 光伏电源设计思路 . 43 4.2.1 48V 逆变器主要板块设计 . 44 4.2.2 整体机箱的设计 . 46 4.3 本章小结 . 48 5总结及展望 . 49 6参考文献 . 50 致谢 . 51 武汉理工大学毕业设计（论文） 1 摘要 本论文 所采用的设计主要 以家用太阳
4、能发电系统 为核心，根据光伏 效应原理，利用太阳电池将太阳能直接转换为电能 的特性，太阳能电池可 直接作为电源 来 驱动负 荷，也 可 以 切换到外部三相电网， 从而 实现 了 小型光伏 系统的并网 运行。绘制出电源机箱的三维模型并对其进行热稳定分析。 本文第二章介绍了热分析的一些基本原理，并对逆变器进行了热分析的理论研究，第三章用热分析软件 icepak 进行对机箱进行仿真实验，通过对风道结构、散热片参数、热源位置与风扇风量等参数的研究分析，根据温度云图和气流速度云图获得了机箱各结构与其散热性能的影响关系，完成了对机箱散热结构的优化，确定出最优的散热方案，在第四章中采用三维设计软件按照最优散
5、热方案，绘制出电源机箱各零部件三维模型，通过配合给出机箱的总体装配图，并进行可行性分析。本文将理论与建模仿真技术相结合，以理论知识为基础，利用 icepak 仿真软件模拟出来 的实验结果，用 solidworks 设计出实物模型，不仅可以降低制作实物的次品率，节约成本，而且可以大大缩短生产周期。 关键词 ：电源机箱 SolidWorks 温度分析 icepak 武汉理工大学毕业设计（论文） 2 ABSTRACT In this paper the design of household solar power generation system as the core, according t
6、o the principle of light born v effect, using solar cells convert solar energy directly to electrical energy, can be directly as a load power supply, can also switch to the external three-phase power grid, the operation of small photovoltaic (pv) grid system. The second chapter presents the basic pr
7、inciple of thermal analysis, and the theory of the thermal analysis about the inverter was studied. The third chapter uses thermal analysis software icepak to simulate, through the air duct structure, fin parameters and the position and fan air volume of heat source parameters, such as research and
8、analysis, according to the temperature contours and air velocity contours obtained the relations between the structure and the influence of the cooling performance of chassis, completes the structure optimization. According to the optimal cooling scheme, the fourth chapter uses the three dimensional
9、 design software to draw out the power supply chassis parts 3 d model, the general assembly drawing is also been given, and a feasibility analysis. In this paper, theory and modeling and simulation technology is combined based on the theory of knowledge, it uses icepak simulation software to simulat
10、e experimental results, using solidworks to design the physical model, not only can reduce the production of physical defect rate, which saves cost, but also can greatly shorten the production cycle. Keywords: power supply chassis SolidWorks Icepak temperature analysis 武汉理工大学毕业设计（论文） 3 1 绪论 1.1研究的目的
11、及意义 据统计， 55以上 的电子设备都容易因为冷却系统设计不良，而导致设备损坏失效。其损坏的概率会随着温度的升高而呈现出上升的趋势 ， 更有甚者会出现 器件 的 环境温度每升高 10，设备的损坏 率 会随之 增大 1 倍甚至更多。在 场效应逆变器中的功率器件 构成的设备中表现的尤为明显 ， 而且 系统内部所产生的大量的热量 ，若不 能 及时 有效的 排除， 则 将 会引起电子电路板的温度 过高， 从而影响 到电子 电路 班 的可靠性和 设备的使用寿命。电源电路内部的温度如果上升的超过 了电力电子设备的 极限值时， 则 将 可能导致电力电子器件的功能失效。所以对逆变器机箱进行 合理、有效的散
12、热设计和热分析，在产品的整个过程中有着举足轻重的作用。 在 传统的 散 热设计 中，设计者 通常是根据 以往设计的经验，或应用换热公式进行 估计， 等到 生产出 完整的 成品后，再通过实验来检验 产品的散热能力 。产品的散热设计 若不能 够 满足 产品的运行 要求，就 需 要 对产品的散热设计进行修改，然后 再设计、再生产、再检验。由此可以看出，传统的热设计方法已经 不能 够满足现代化的生产需求。因此，产品 对其进行有效的热仿真 以验证散热设计的合理性是非常必要的。热分析软件可以 比较真实地模拟 显示出系统的热分布情 况，能够在产品 散热设计阶段 进行热仿真 分析 ， 以确定模型的温度的最 高
13、点。通过对模型 散热设计进行修改或采取必不可少的散热方法，消除热分布不稳定的问题，使系统的 最高温度 控制在允许的 范围内， 从而 达到设计 的要求。设计师必须对产品的散热设计进行深入的分析和研究，从而 更好地解决产品设计中的问题。 对产品进行散热设计的目的主要是为了改进其结构设计与材料的选择，以找到 最佳的导热材料与 最优的 散热结构， 从而使整个逆变器中产生的热量可以 快速的传播并散发到周围环境中去，从而将系统控制在 满足系统可靠性 运行的要求。热设计方案的选择对逆变器的可靠性和成本都有很重要的影响，优秀的散热 方案可以保证电源模块保持最佳的工作状态 和延长 产品的 使用寿命。可见通过对损
14、耗的分析计算得到数据参数，建立电路各模块温度模型。通过对热分析软件的运用，合理布置散热器件，设计散热通道，选择散热方式，从而确定优化方案，可以达到降低成本和提高性能的目的，意义巨大。 武汉理工大学毕业设计（论文） 4 1.2国内外研究现状 1.2.1 DC/DC 电源变换器发展现状 随着电子技术的发展以及电力电子设备的广泛普及，场效应逆变器在通信、军事、航天、卫星、运输、航海方面获得了越来越多的应用，场效应逆变器中用MOS 管作功率转换元件几乎不需要信号源提供电流和功 率，可大大简化电路，特别适合高频工作。有着更高的能量转换效率，拥有更低的发热特性，更长的平均无故障时间以及更高的可靠性以及更小
15、的体积 。 从八十年代末开始电气工程设计师们就已经开始尝试场效应逆变器的研究，大量积聚的热量又成了设计师们新的难题。当时因为受落后的生产工艺以及理论研究水平的限制，开关元件还无法达到很高的开关速度，强行提高元件的开关频率必然将会引起开关损耗的急剧增加，影像设备的正常运行。为解决这一矛盾，各种软开关技术应运而生，工程师们期望通过对 MOSFET 开关性能的提升达到减少 MOSFET 开关损耗的 目的。经过多年的研究比较后，有两种软开关技术通过了工程实践的检验，获得了市场的广泛认可其中一项是由 VICOR 公司开发出的的有源箝位 ZVS软开关技术；另一项是在九十年代初诞生的全桥移相 ZVS软开关技
16、术。 另一方面，随着半导体技术在生产材料以及生产工艺上的迅猛发展，以前制约着MOSFET 性能提升的诸多难题被一一攻克，功率 MOSFET 的性能获得了飞跃性的提升。使得当今的 MOSFET 的导通电阻、开关时间、以及栅极电容等参数获得了大幅的减小。如今随着微处理器在控制电路中的应用，仅需通过对逻辑电平的切换即可实现对功率 MOSFET 进行导通控制，使场效应逆变器较上一代晶体管逆变器有着质的飞跃。 目前，微处理器已经广泛的参与输出电压调节、频率设置、脉宽调制、占空比大小的控制、降频升频控制等工作，而且微处理器的生产成本随着半导体技术的进步不断降低，这使得其应用范围变得越来越广泛，同时国内外也
17、展开了电子元器件的热分析研究，随着计算机技术的发展和航空航天技术在军事领域的应用，电子设备及仪器热控制技术受到普遍重视，美国在七十年代就颁布了可靠性热设计手册，作为航空电子设备的强制性标准执行：以色列空军在美国机载电子热分析和热测试技术的 基础上加以改进和应用，并把热设计和热测试作为机载电子设备产品研发和交付过程中必不可少的一个环节；日本电气公司在九十年代中期研制的巨型计算机中就己经成功地运用了液冷技术来进行环境温度控制。 目前，国外在电子设备热分析方面的技术已趋成熟，能够解决稳态和瞬态不同情况下的元器件级、板级和设备级的热分析。热设计的研究工作也在进行，一些专武汉理工大学毕业设计（论文） 5
18、 业热设计软件得到了广泛应用，电路板的优化布局技术也趋向成熟，一些新的测量元件和测量方法正大量涌现，如铂薄膜热电阻的步进插阻温度计和辐射测温技术等。 20 多年前，美国朗讯公司研发的第一代 半砖 DC/DC 变换器，其仅能实现 30W的功率输出，效率无法超过 80%；如今的半砖 DC/DC 电源的输出可达到原先的 10倍以上，其转换效率早已突破了 90%的关口。 目前， DSP 数 字信号处理器 已经可以广泛的 参与输出电压 调节 、 频 率设置 、 脉宽调制 、 占空比 大小的 控制 、降频升频控制 等工作 ，而且微处理器的生产成本随着半导体技术的进步不断降低，这使得其应用范围变得越来越广泛
19、，电源设计已经迎来了数字化时代。 1.2.2 热分析研究现状 热分析又称为热模拟，是一种利用数学工具，通过计算机进行辅助模拟计算，进而对电力电子产品进行散热分析的技术。热分析研究基于传热学、有限元分析和流体动力学：其中传热学是对热能的传导、对流以及辐射这三种物理现象的理论研究；流体力学则从能量守恒、动量守恒以及质量守恒这三条自然界基本定律的角度进行分析。 热分析按照研究对象可分为三维模块的热分布分析和模块的热应力分析两类，其中热分布分析用于研究模块在不同热能传导方式的影响下在三维空间中所产生的温度分布，其主要用于研究电子设备所能承受的最高温度并通过分析结果进行散热结构 的优化设计；热应力分析用
20、于研究在不同温度条件下，应力集中点对设备模块可靠性产生的影响。热分布研究和热应力分析相辅相成，表现在热场与结构场之间的耦合上。 目前热分析的方法主要由以下三种：解析法、数值模拟法、实验分析法。 解析法通过建立数学模型，构造 热力学 函数方程 式的方法 计算一定范围内温度的分布情况 。由于在计算过程中受制于有限的边界条件，解析法所能计算的范围十分的有限，同时由于在实际使用中常常使用一些简化方法，这导致其计算结果并不能真实反映分度在空间内的分布；另一方面，解析法所计算的数学方程往往过于复杂，这增加了 研究的难度；数值模拟法我们可以根据研究方法的不同将模拟法分为有限 元法（ FEM）、有限差分法（
21、FDM）、有限体积法（ FVM）三种： 有限元法是用有限大的介质单元代替 所需 求解 的 器件，用这些单元组合体 来 近似地代替 设计中 真实 的 设备元件。 通过对参数的设定，每个区域上的实体特性可以通过单元的模拟 来逐次逼近 ， 各个 单元之间的连续性 通常表现在单元各节点连接处， 仅仅在总体意义上体现 了单元间的连续 ，而并非在 系统 整个界面相邻 位置 处处满足。有限单元法较易引进实际边界条件 ，同时具有应用广泛，功能性强等优点 。 武汉理工大学毕业设计（论文） 6 但是有限元法也有其最大弱点，在于其 将整个模型离散化，不可避免地 产生很多 单元 ，因而大幅的增大了设计的难度，造成设计
22、过程的复杂化 ， 同时有限元法主要研究的是有限单元间的问题，因此对某些具有 延伸边界的三维问题 ，有限元法已经 不 能够 适用于 此类问题的分析 ； 再者由于在有限元法的设计中， 每个单元 相互间是离散的，因而其变换过程并不是连续的 ，单元之间的解 常常 会出现不合实际的跳跃 ，对研究将会造成干扰； 有限差分法通过在 求解区域内部的一系列结点处，通过建立一组代数方程来逼近方程中的微分算子，从而达到模拟的目的。有限差分法的优点在于其可 以应用于任何微分方程组，但是在引入复杂的边界条件的过程中，将导致在求解过程中常常出现大型联立的代数方程组，这对运算过程带来了很大困难，加大了计算的难度； 有限体积
23、法 是将计算区域划分为不同的子区域，得到一系列的离散方程，对每一个控制体用这一系列的微分方程进行积分计算， 这样有限体积法有着有限元和有限差分法的 共同的优点，在实际中被多种仿真分析软件广泛使用； 实验分析方法即通过搭建电路拓扑，对设计电路进行装箱调试后，再通过实验一步步测得机箱内部各测试点温度的方法。进行热分析时，有条件的实验室采用红外热像仪进行检测，没条 件的则一般采用热电耦测量设备温度，在某些不适宜直接测量的场合或无法直接测量某些器件的内部温度如功率器件的结温时，可以采用红外辐射测量法进行测试。通过直接测量还能对热模拟的结果进行验证。 实验分析法具有准确度和精度高、数据可靠及操作简单等优
24、点，但是当面对结构紧凑的设备时，由于测试仪器无法深入其中则会产生数据采集困难的问题，再者当分析某些封装元件（如电源模块、封装芯片等）内部温度时，实验分析法就无能为力了。再者实验法需要在安装完成后对测试点温度进行测量，这大大加重了劳动强度，延长了设计周期。而且实验分析法对所用 的测量设备如红外热像仪性能要求较高，因为这些设备的价格往往很高，这对资金投入量提出了很高的要求。 从 20 世纪六十年代起，国外已经开始对电子设备进行热分析研究，随着人们对电气设备提出了越来越高的要求，从 20 世纪八十年 代开始，工程师们开始大规模研究电子产品的散热问题。目前，国外公司已经开发出了许多应用于电子设备热分析
25、的软件，大多已经得到了广泛的商品化应用。国外热分析研究主要通过运用完善的热分析仿真软件来协助进行产品的设计，以达到加快热分析的速度，提高设备的散热性能，分析产生热能积聚的原因，从而实现提高产品可靠性，缩短设备的设计周期等目的。 武汉理工大学毕业设计（论文） 7 表 1-1 常用热分析软件 公司 软件 名 软件 类型 数值 分析 方法 软件 特点 美国 ANSYS ANSYS 通用 有限元法 融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体 美国Dynamic Soft Analysis BRTAsoft 电子设备 有限差分法 涵盖可靠性计算 美国 Fluent Icepak 电子设备 有限体积法 非结
26、构化和 非连续化网格 英国Flomerics Flotherm 电子设备 有限体积法 优化设计 Flopack 工具 目前得到广泛应用的热分析软件如表 1-1 所示，主要可分为通用热分析软件和电子设备专用的热分析软件两类。通用热分析软件有 Algor， ANSYS 等，它们可广泛应用于多种设计场合；专用的电子设备热分析软件如 BETAsoft， Coolit，Icepak， Padsthermal ， Flotherm等，是专门针对电子设备的特点而开发的，具有更强的专业性与灵活性。其中 BETA soft， Padsthermal 等软件 采用的是有限差分法， Flotherm， Coolit
27、， Icepak 等软件 采用的是有限体积法。 1.3光伏电源设计思路 1.3.1 光伏电源设计 家用太阳能发电系统规模较小，在设计过程中应充分考虑实际情况，一般应遵循经济适用原则，可靠性高牢固耐用容易维护，充分考虑地理气候环境的影响，通常采用分布式并网发电，系统结构如图 1-1 所示： 太阳能电池直流斩波电池组直流斩波逆变器市电电网图 1-1 家庭分布式并网发电系统结构图 武汉理工大学毕业设计（论文） 8 作为家用太阳能发电系统，发电量是衡量太阳能发电系统性能优劣的最终指标，影响系统发电量的因素可以归结为两个方面：第一个是电站的发电容量，第二个是太阳能发电系统的效率。系统的发电容量受到太阳投
28、射到组件单位面积上的辐射功率影响，根据光伏组件的工作特性，其输出电压和电流都会随着太阳辐射强度的变化而变化，因此环境因素会影响光伏组件的工作性能；根据本小组的市场调研，目前，市场上大规模工业化生产的单晶硅电池的光电转 换效率约在18.5%19.5%之间，加上后续电路器件上的损失，真正能提供给电网的能量少之又少。因此，电路设计部分的主要研究内容为： 首先 太阳能发电控制器模块化、并联设计 是 多控制器并联运行是当今光伏发电发展的热门方向之一。随着社会的发展和需求，很多负载设备对功率容量的要求越来越大，单模块控制器的扩充性和可靠性受到了很大的限制，因此设计多模块控制器并联再并网发电显得尤为重要。多
29、个控制器并联运行可以扩充系统的容量、增进系统的效率和可靠性。然而由于多个控制器并联运行会产生相位差，那就必须考虑同步的问题。一般的控制器 并联运行的方法，比较常见有主从式和中央集中式。本项目采用简单可靠的中央集中式，其采用一个集中的控制器来检测电流偏差，以此来作为输出电压的补偿量。 其次 太阳能发电控制器 MPPT 算法研究 即 MPPT 所造成的功率损失包括静态和动态跟踪损失。静态跟踪损失是指最大功率跟踪算法并不能跟踪到真正的最大功率点造成的能量损失；动态损失是指进行最大功率跟踪过程中，外界环境发生变化时，最大功率点算法不能跟踪到真正的最大功率从点造成的能量损失。基于DSP 强大而快速的数据
30、处理能力，我们将其应用于直流斩波电路设计中，通过一定的控制算法，最 大效率实现光伏组件最大功率跟踪，最大限度避免了 MPPT 所造成的静态和动态跟踪损失。 最后还要进行 家庭供电系统太阳能、电网、蓄电池能量双向传输研究 ，因为 市电电网和蓄电池组之间能量的双向传输是实现“削峰填谷”的核心技术。受太阳辐射强度和太阳能电池温度等因素的影响，太阳能电池组件输出电压范围很宽。本系统通过 DC/DC 变换器将太阳能电池组件宽范围的直流输出电压变换为所需的直流母线电压，蓄电池通过双向的 DC/DC 和逆变器与交流电网连接。在太阳能充足的情况下吸收多余电能；不足时补充缺损电能；匮乏时由电网向蓄电池补充电能。 保证家用太阳能发电系统输出功率的稳定性。由于双向变换器承担双向输送能量的任务，因此实现系统能量管理的核心是对双向变换器的合理有效控制。 1.3.1 实施方案及 可行性 市场调研与技术研究：通过对相关书籍的查询与老师的交流，了解本项目国
