基于ARIZ的变频柜内功率器件散热创新设计

曹巍 刘玲

珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070

0 引言

ARIZ是俄文中发明问题解决算法的缩写。阿奇舒勒自1956年开始就致力于开发系统化的、逐步解决工程问题的工具ARIZ。ARIZ是经典TRIZ理论（拉丁文：Teoriya Resheniya Izobretatelskikh Zadatch，发明问题解决理论）中非常强大的综合性工具，通常被用来解决一些复杂度比较高的问题[1]。

本文通过运用ARIZ算法对变频柜内功率器件的散热进行了创新设计，并对方案进行初步评价和应用探讨。最后通过仿真和实验验证来进一步佐证方案的可行性。

1 问题情境

1.1 问题描述

变频柜，主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、驱动单元、制动单元、检测单元等组成。变频柜靠内部的功率器件（通常为IGBT，绝缘栅双极型晶体管）的高速开断来调整输出的电压和频率，驱动电机运转，实现调速节能的目的。

当高速大功率变频离心冷水机组工作时，机组上的变频柜内功率器件温度很高，容易因冷却系统设计不良而发生故障，如果不采取有效的降温措施，高速大功率变频离心冷水机组很难突破大冷量的瓶颈。功率器件的散热设计直接决定变频柜能否可靠工作、持久耐用[2]。据悉，功率器件的故障率占变频柜总故障的50%左右，而功率器件价格昂贵，占变频柜总价的20%左右[3]。对变频柜内功率器件的散热进行创新设计，减少功率器件故障发生，对降本增效具有长远意义。

1.2 问题发生的条件

大功率变频柜内功率器件因温度过高而发生故障主要出现在：（1）变频柜输入功率大于700 kW；（2）磁悬浮电机转速大于7500 r/min；（3）变频离心冷水机组单机冷量大于1000 RT。

1.3 现有解决方案及存在的缺陷

目前，现有技术对降低大功率变频柜内功率器件的温度采取的措施有：（1）自然冷却。在变频柜外壳开窗形成对流给柜内功率器件散热，但柜体防护等级降低，受防尘防水要求所局限[4]。（2）传统的强化换热。给功率器件贴装翅片散热器，柜内加装多个冷却风扇，但风扇使用寿命有限，易损难维护[5]。（3）新型的强化换热。将功率器件贴于液冷散热器表面，冷却效果好，但散热器安装复杂，存在制冷剂泄漏风险，且容易在散热器表面产生冷凝水[6]。

1.4 明确要解决的问题

国外顶尖品牌磁悬浮变频离心机组单机冷量在1000 RT以下，我司自主研发的磁悬浮变频离心机组单机头冷量可达1000 RT以上。机组冷量越大，功率器件的温度越高，对变频柜的散热要求越高。在同等工况下，基于现有技术，国外顶尖品牌的变频柜内功率器件温度为41℃，我司的为43℃。本文通过运用ARIZ创新工具，在不增加变频柜成本和体积的前提下，使功率器件降温10%。

2 ARIZ的应用流程

在应用ARIZ的过程中，通过ARIZ的引导，可正确运用TRIZ工具来解决复杂的工程问题，快速接近最优解[7]。如图1所示，ARIZ总共分9大步骤。每一步骤又分为很多子步骤，涵盖了问题分析、资源分析、各种解决问题的TRIZ工具等[8]。

图1 ARIZ的应用流程

2.1 分析问题

通过分析可将最小问题定义为：很有必要对系统做最小改变，在降低功率器件的温度的同时，又不增加散热装置的能耗。这里所指的系统包含散热装置（含散热器和风机）和空气。在技术矛盾中识别出工具为空气，产品为功率器件。如图2所示，建立技术矛盾的图解模型。分别从正反两方面描述技术矛盾。

图2 技术矛盾的图解模型

选择一个矛盾作为问题求解方向，该技术系统中选择的矛盾是降低功率器件的温度，但会增加散热装置的能耗。通过将系统参数设为极限状态的方式来激化矛盾：空气换热量极多，功率器件温度极低，但散热装置的能耗极大。通过引入X元素可以解决矛盾，既能在空气换热量很大时大幅度降低功率器件的温度，又能不增加散热装置的能耗。通常，增加风机数量或加大单个风机的功率可以增加空气的换热量。

应用标准解来解决问题。空气换热量大会增加散热装置的能耗，为有害物场模型，可考虑运用第1.2类标准解10：通过改变现有物质来消除有害作用[9]。在不增加风机功率的前提下，以下3个方案可增加空气换热量或提高空气换热效率。

方案1：将蜂窝式进风孔改为格栅式进风孔；方案2：合理设计变频柜内风道；方案3：合理设计变频柜进风孔的位置。方案3如图3所示，运用仿真工具，设计变频柜壳体的开孔位置，减少回流影响，增加空气换热量。

图3 变频柜进风孔处的流体仿真图

2.2 问题分析模型

通过应用以上方案，问题得到解决，同时为了获得多个解决方案，进入到步骤2：问题分析模型。定义矛盾作用区域，空气有用作用区域：冷却功率器件的区域；空气有害作用区域：增加散热装置能耗的区域。两个区域在空间上不存在重叠，冲突可在空间上尝试分离。同理，冷却功率器件的时间和增加散热装置能耗的时间在时间上不存在重叠，冲突可在时间上尝试分离[10]。

对系统进行物场资源（SFR）分析，如表1所示。

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表1 系统的物质场资源

2.3 定义最终理想解和物理矛盾

定义最终理想解1：在操作区域内，操作时间段内，不使系统变复杂的条件下，引入X元素，降低功率器件的温度，不增加散热装置的能耗。

激化理想解1：不能引入新的物质和场，必须应用已有的物场资源，利用2.2小节中识别的所有SFR逐个替换X元素。如图4所示，应用资源：散热器，得到方案4：散热器的肋片竖直方向不变，将水平方向设计成齿状；应用资源：制冷剂，得到方案5：在散热器的肋片上插入冷管通入制冷剂，进一步降温。

图4 散热器肋片的创新设计

从宏观层面定义物理矛盾。在操作空间和操作时间内，找到系统内X元素，使得系统的散热量既要多又要少。散热量要求多是因为要降低功率器件的温度，散热量少是因为要降低散热装置的能耗。可利用散热器这个资源，如图5所示，得到方案6：将实心散热器设计成内部中空的钻孔式散热器，散热器带走功率器件热量，对其进行冷却。

图5 散热器内部结构的创新设计

识别微观层面的物理矛盾。在操作空间和时间内，找到系统内X元素，使得系统的散热粒子既要多又要少。散热粒子要求多是因为带走的热量多，功率器件降温快；散热粒子要求少是因为做功少，散热装置能耗少。如图6所示，仍可利用散热器这个资源，得到方案7：将散热器内部设计为流道毛细结构，通过制冷剂带走紧贴其表面的功率器件的热量。

图6 流道毛细结构散热器

定义最终理想解2：在操作区域内，功率器件的温度极低，不增加散热装置的能耗，同时又不会因温度过低产生冷凝水。

应用标准解解决最终理想解2的物理矛盾。在操作空间和时间内，找到系统内X元素，使得散热器的温度既要高又要低。运用分离法则，得到了如表2所示的四个方案。相较于2.1小节中应用标准解解决问题，这里问题分析得更加深入，便于更好地应用标准解解决原问题。

表2 运用物理矛盾得到的技术方案

至此，问题已得到解决。为了获得更多方案，继续进行ARIZ应用流程的步骤。

3 运用扩展物场资源

用聪明小人法进行问题描述：A小人为散热器的内壁，B小人为制冷剂。制冷剂会贴着散热器的内壁流动。改进方案需在单位时间内，使B小人带走的热量多。想到一种方法：加入C小人（挡板），B小人（制冷剂）会在C小人和A小人（内壁）间的流道内移动。方案12：在散热器流道内增加挡板，使其从单流道变为多流道，从而制冷剂分布更均匀，其利用率也得以提高。

从理想解“回退一步”。目前存在的问题是很难在使用液冷板散热器时对功率器件降温，同时又不产生冷凝水。但若通过加入不产生冷凝水的冷源应该也是可以的。方案13：在变频柜内增加蒸发器，提供新热场。

尝试使用物质资源的混合体来解决问题。真空也可以看作是一种物质。方案14：将变频柜内部抽真空并置于真空环境，散热器给功率器件降温时，柜内不会产生冷凝水。

尝试运用派生资源。派生资源可以通过物质资源的相态变化来获得。方案15：通过采集散热器制冷剂进出口的温度变化值来控制阀门的开度，从而实时调整制冷剂的流量，不产生冷凝水。

尝试利用物场资源和场敏感物质解决问题。方案16：在变频柜前端配置有源滤波器来消除电网的谐波，从而减少功率器件的损耗和发热量，降低功率器件的温度。

引入电场。方案17：用电场控制功率器件开关的开断，采用五段式PWM波控制，相较于七段式PWM波控制，功率器件的开关损耗更小，发热量更少。

通过以上分析步骤，问题表述更接近问题本质。方案6～11应用了知识库（效应库、标准解和发明原理），问题得到了有效解决。

由于前面已经产生了满足最终理想解的方案：降低功率器件的温度，不增加变频柜的能耗，系统不会更复杂，并且不产生有害作用，所以不用变换或者替换问题去求解方案了。

4 方案验证

对方案进行汇总，共计得到17个创新方案，简要评估后，为了降低变频柜内功率器件的温度，经仿真和实验验证，最终采取的综合方案得到了新型的散热系统：采用毛细结构多流道散热器，在散热器的安装面加导热材料并在外部包海绵；设计变频柜进风孔的位置、数量、大小，并改为格栅式进风孔；增加蒸发器，设计风机的位置及变频柜的风道。如图7所示，经过综合运用以上方案，对表面贴装了IGBT和二极管的毛细结构多流道散热器进行仿真，IGBT最高温度与散热器制冷剂出口温度接近，为38.6℃，变频柜内功率器件相较于方案实施前的43℃降低了10.2%。

图7 流道毛细结构散热器仿真图

将液冷板的流道设计成不对称，并在外部包裹海绵，上机组测试，机组运行2小时，可达到设定工况。功率器件的温度实验结果如表3所示，IGBT最高温度为38.5℃，与仿真结果相近。变频柜内功率器件相较于方案实施前的43℃降低了10.4%。从而进一步证明，通过散热方案的优化，可极大提高功率器件的利用率，即变频柜为达到相同输出功率，在采用新型散热系统的前提下，可选择低功率等级的功率器件，实现成本降低。

表3 散热器表面功率器件的温度

5 结论

本文通过运用ARIZ算法来解决降低变频柜内功率器件温度，同时又不增加散热装置的能耗的问题。针对该问题，定义了最终理想解和物理矛盾，运用了扩展的物场资源和效应库、标准解、发明原理等TRIZ创新工具，得到了17个创新方案，通过方案评估、综合运用，为降低变频柜内部功率器件的温度，设计了新型散热系统：采用不对称、毛细结构、多流道散热器，在散热器的功率器件安装面加导热材料，在散热器外部包海绵；设计变频柜进风口数量、位置、大小，并改为格栅式进风孔；增加蒸发器，设计风机的位置及变频柜的风道。对方案加以仿真和验证，变频柜内功率器件的温度降低了10%以上，目标达成。通过散热方案的优化，极大提高了功率器件的利用率。在达到相同输出功率前提下，可选择低功率等级的功率器件，实现成本降低。