許佩佩，吳 剛，曹葉楠，孔浩源

(上海辛格林納新時(shí)達(dá)電機(jī)有限公司, 上海 201801)

引 言

變頻器是通過(guò)改變電機(jī)工作電源頻率方式來(lái)控制交流電動(dòng)機(jī)的電力控制設(shè)備。其依靠?jī)?nèi)部絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的開(kāi)、斷來(lái)調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要來(lái)提供所需要的電源電壓，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，變頻器在電梯、起重、煤礦冶金和空調(diào)等行業(yè)[1]的應(yīng)用日益增多。變頻器內(nèi)的核心元件為IGBT晶體管和整流橋組成的功率模塊。同樣它們也是系統(tǒng)內(nèi)的主要熱損耗源，并且伴隨產(chǎn)品逐漸向高頻、大功率和高集成化方向發(fā)展，設(shè)備單位面積的熱流密度越來(lái)越大[2]。如果熱量不能及時(shí)被帶走，將會(huì)嚴(yán)重影響功率模塊的使用性能和系統(tǒng)可靠性。研究表明，超過(guò)55%的電子設(shè)備的失效是由溫度過(guò)高引起的[3]。因此對(duì)電子器件的散熱研究至關(guān)重要，意義重大。

現(xiàn)如今，IGBT等功率模塊最常用的散熱方式有強(qiáng)迫風(fēng)冷、液體冷卻和相變冷卻。強(qiáng)迫風(fēng)冷具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此在實(shí)際工程中具有廣泛的應(yīng)用[4]，但同時(shí)其又具有難以避免的缺陷，比如：風(fēng)機(jī)噪音大，散熱能力有限，風(fēng)機(jī)易積灰為易損件、需定期檢修更換，特別是當(dāng)環(huán)境要求高、熱損耗功率大時(shí)，強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱難以滿足要求。相變冷卻是利用液體在沸騰過(guò)程中吸收大量氣化潛熱的一種高效方法，由于相變過(guò)程中伴隨著能量的釋放和吸收，其冷卻能力比自然冷卻高1 000倍[5]，但其需要配備復(fù)雜的管路系統(tǒng)和制冷劑，成本高，實(shí)際使用受限。液體冷卻的常用冷卻工質(zhì)為水，其來(lái)源廣泛、環(huán)境友好、價(jià)格低廉。水冷變頻器已有數(shù)十年的歷史，廣泛應(yīng)用于輪船、機(jī)車、電力、鋼鐵等高壓大功率變頻行業(yè)且空間有限的場(chǎng)合，相對(duì)于傳統(tǒng)的強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱，水冷能大大減小變頻器的體積，有效提高系統(tǒng)的散熱效果，增大散熱功率，且較容易實(shí)現(xiàn)高防護(hù)等級(jí)。水冷板散熱器是水冷散熱系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，水冷板的性能直接決定了散熱效果和系統(tǒng)可靠性。

文獻(xiàn)[6]利用Fluent軟件模擬了水冷散熱器在不同入口流量下的芯片最高溫度和IGBT元件安裝面最高溫度變化結(jié)果。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)增加泄壓槽可以有效調(diào)節(jié)3個(gè)支路的壓力和流量，使得3個(gè)支路的流量基本一致。文獻(xiàn)[7]從翅柱數(shù)量、分布、結(jié)構(gòu)以及冷卻流體進(jìn)出口對(duì)3種水冷散熱器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得知散熱器四角帶導(dǎo)流結(jié)構(gòu)及水滴形翅柱結(jié)構(gòu)的散熱性能優(yōu)于傳統(tǒng)圓柱形翅柱散熱器。文獻(xiàn)[8]采用數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究方法，分析得出：串并聯(lián)的槽道結(jié)構(gòu)比單純的串聯(lián)結(jié)構(gòu)槽道，具有更好的傳熱效果及阻力特性，且實(shí)驗(yàn)測(cè)試與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)基本吻合，驗(yàn)證了模擬方法的合理性及可行性。文獻(xiàn)[9]從理論上對(duì)層流范圍內(nèi)平板式水冷散熱器的通道數(shù)、散熱片高度、散熱片占空比與散熱熱阻的變化關(guān)系進(jìn)行了推導(dǎo)，得出可根據(jù)這些變化關(guān)系對(duì)任意尺寸平板式水冷散熱器的通道參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選擇的結(jié)論。

目前諸多研究都是基于數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)探究方法，分析得出各個(gè)因素對(duì)水冷板散熱器換熱性能的影響，進(jìn)而選擇最優(yōu)化的水冷板散熱器。卻很少?gòu)募庸すに?、成本、工業(yè)應(yīng)用等方面考慮。本文采用數(shù)值模擬的方法，研究不同流道形式、截面積大小，水冷板散熱器的換熱性能，并分析實(shí)際加工工藝難度、成本高低、實(shí)際應(yīng)用情況等，可以為產(chǎn)品化應(yīng)用提供參考數(shù)據(jù)和先行指導(dǎo)。

1 水冷板散熱器設(shè)計(jì)

1.1 水冷板散熱器結(jié)構(gòu)

水冷散熱系統(tǒng)主要由水冷板散熱器、功率模塊、泵、板式換熱器組成，如圖1所示。功率模塊的發(fā)熱量由流經(jīng)水冷板散熱器的工質(zhì)水帶走，再通過(guò)板式換熱器將熱量傳遞至外循環(huán)工質(zhì)中。

圖1 水冷散熱系統(tǒng)圖

本產(chǎn)品中功率模塊的布置示意圖如圖2所示。3 個(gè)功率模塊并列布置在水冷散熱器上，進(jìn)出口位置位于水冷散熱器的側(cè)面，便于整體機(jī)柜的布局。水冷散熱器的尺寸為440 mm × 300 mm × 20 mm(長(zhǎng) × 寬 × 高)。

圖2 功率模塊布置示意圖

1.2 水冷板散熱器流道結(jié)構(gòu)

水冷板散熱器的內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 水冷板散熱器結(jié)構(gòu)示意圖

其中，水冷板散熱器1的流道為串聯(lián)形式，分為6個(gè)主串聯(lián)流道，每個(gè)主流道又由8 個(gè)分流道構(gòu)成，每個(gè)分流道的截面為3 mm × 10 mm。樣品時(shí)，可采用機(jī)加工+攪拌摩擦焊的加工方式，批量時(shí)，可采用鋁擠+攪拌摩擦焊的加工方式。水冷板散熱器2的流道為串聯(lián)形式，只分為6個(gè)主串聯(lián)流道，無(wú)分流道，其流道截面類似于花瓣形，其特點(diǎn)為：直接選用已有型材，價(jià)格便宜。水冷板散熱器3的流道為并聯(lián)形式，分為進(jìn)、出和IGBT模塊正下方的3 個(gè)并聯(lián)主流道，每個(gè)并聯(lián)主流道又分為5個(gè)分流道。每個(gè)分流道的截面為4 mm ×1 mm。水冷板散熱器3的加工方式與水冷板散熱器1的類似。

1.3 水冷板散熱器散熱設(shè)計(jì)要求

本文的某款大功率變頻器控制柜的額定輸出功率800 kW，載波2 kHz。該控制柜分為整流和逆變單元，可通過(guò)單元的串、并聯(lián)方式，方便快速地組合成更大功率的控制柜。本文選擇逆變單元分析，因?yàn)槟孀儐卧臒釗p比整流單元更大，且兩者的結(jié)構(gòu)布局類似，逆變單元的設(shè)計(jì)可以為整流單元起到指導(dǎo)作用。

逆變單元的主要熱源為IGBT模塊，型號(hào)為英飛凌FF1400R17IP4，其內(nèi)部共有1個(gè)上橋臂和1個(gè)下橋臂。每個(gè)橋臂又由IGBT芯片和續(xù)流二極管FWD芯片構(gòu)成。每個(gè)IGBT模塊的熱損耗為(784+229)× 2=2 026 W。

IGBT模塊有最大的允許結(jié)溫Tj要求，散熱設(shè)計(jì)的目標(biāo)是使IGBT的實(shí)際結(jié)溫小于該最大允許結(jié)溫。IGBT模塊的芯片結(jié)溫可以直接測(cè)量得到，但這需要增加復(fù)雜的檢測(cè)電路，也會(huì)影響絕緣。本文采取了一種更為簡(jiǎn)便的結(jié)溫計(jì)算方法，即：測(cè)得水冷板散熱器上的最高溫度Tmax，再通過(guò)芯片與外殼、外殼與水冷板散熱器間的熱阻，計(jì)算得到芯片與外殼、外殼與水冷板散熱器間的溫差。則可計(jì)算得到結(jié)溫為

Tj=Tmax+ΔTj-c+ΔTc-h

(1)

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

2.1 數(shù)值模擬

2.1.1 三維模型的建立及導(dǎo)入

水冷板散熱器采用Solidworks進(jìn)行三維建模。為了減少網(wǎng)格數(shù)量，提高計(jì)算速度，在建模時(shí)，將對(duì)傳熱影響較小的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，如管道接頭、安裝螺釘?shù)取?/p>

三維模型建立后，通過(guò)Workbench中DM模塊導(dǎo)入，將模型中的各部件簡(jiǎn)化成Icepak認(rèn)可的格式即可。

2.1.2 流量計(jì)算

由能量守恒定律可知，忽略熱傳遞過(guò)程中的熱量損失，功率器件的熱損耗等于冷卻工質(zhì)帶走的熱量，從而可以計(jì)算得到所需冷卻工質(zhì)水的流量，公式為

(2)

式中：ΔT為冷卻水的進(jìn)出口溫升，℃；ρ為冷卻水的密度，kg/ m3；V為冷卻水的體積流量，m3/s；cp為冷卻液的比熱容，J/(kg·℃)；Q為功率器件熱損耗，W。

取冷卻水的進(jìn)出口溫升ΔT=6 ℃，密度ρ=990 kg/ m3，比熱容cp=4 174 J/(kg·℃)，功率器件熱損耗Q=6 078 W。故可計(jì)算出冷板散熱器中所需要的水流量：

(3)

2.1.3 參數(shù)設(shè)定

單個(gè)IGBT的熱損耗為2 026 W，則3 個(gè)IGBT的總熱損耗為6 078 W。其他相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：環(huán)境溫度為45 ℃，進(jìn)水溫度為45 ℃。進(jìn)口流量為15 L/min。冷板材料采用6063-T5鋁合金，導(dǎo)熱系數(shù)為205 W/(m2·K)。求解過(guò)程為穩(wěn)態(tài)計(jì)算，流動(dòng)計(jì)算狀態(tài)為湍流模型。流動(dòng)方程收斂殘差為0.001，能量與焦耳熱方程殘差為1e-7。迭代步數(shù)設(shè)置為300步。

2.2 模擬結(jié)果

使用Icepak軟件對(duì)3 種水冷板散熱器結(jié)構(gòu)，在進(jìn)口流量為15 L/min情況下進(jìn)行模擬，得到溫度分布云圖，如圖4所示。

圖4 水冷板散熱器溫度云圖

由模擬結(jié)果的溫度云圖可知，水冷板散熱器1、2和3上的最高溫度分別為66.92 ℃、69.87 ℃和63.59 ℃。水冷板散熱器1和2的溫度分布不均勻，從入口至出口處溫度逐漸升高，這是因?yàn)樗浒迳崞?和2的流道為串聯(lián)形式，工質(zhì)水從入口至出口的流動(dòng)過(guò)程中，吸收功率模塊的熱量，溫度逐漸升高。水冷板散熱器3的溫度分布比較均勻，這得益于其內(nèi)部流道為并聯(lián)形式。

由表1可知，水冷散熱器1、2和3的壓力損失分別為59 478.83 Pa、35 146.79 Pa、59 295.96 Pa。綜合3款水冷散熱器的溫度分布可知，水冷散熱器1的壓力損失最大，水冷散熱器2的壓力損失最小，但其散熱器溫度最高，水冷散熱器3的溫度最低，壓力損失適中。所以水冷散熱器3最合適。

表1 水流量為15 L/min時(shí)散熱板模擬數(shù)據(jù)

2.2.1 截面積大小對(duì)傳熱性能與壓力損失的影響

選取水冷板散熱器3繼續(xù)分析分流道的截面積大小對(duì)傳熱性能與壓力損失的影響。水冷板散熱器溫度與流體壓力損失是評(píng)價(jià)水冷板的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。水冷板散熱器溫度與水冷板的傳熱性能有關(guān)，水冷板散熱器溫度低，則表示其能控制發(fā)熱源溫度的能力強(qiáng)。流體壓力損失與循環(huán)水泵的耗能息息相關(guān)，當(dāng)流體壓力損失增大時(shí)，循環(huán)水泵的能耗也隨之上升，成本也會(huì)相應(yīng)增加。

分流道的截面積分別取4 mm × 1 mm、4 mm × 2 mm、4 mm × 3 mm、4 mm × 4 mm、4 mm × 5 mm，得到截面高度與散熱器溫度、壓損的關(guān)系如圖5所示。

圖5 截面高度與散熱器溫度、壓損的關(guān)系

隨著截面高度的增加，散熱器最高溫度逐漸升高，兩者近似呈正比。截面高度為1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm時(shí)，散熱器最高溫度分別為63.59 ℃、68.66 ℃、72.59 ℃、75.96 ℃、79.65 ℃。而隨著截面高度的增加，壓力損失呈反比例降低。截面高度為1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm時(shí)，壓力損失分別為59 295.96 Pa、21 361.32 Pa、16 391.88 Pa、14 654.38 Pa、14 043.08 Pa。這是因?yàn)殡S著截面高度的增加，即截面積增加，在流量一定的情況下，分流道內(nèi)的速度逐漸降低，所以換熱效果及壓損逐漸降低。

2.2.2 并聯(lián)流道對(duì)傳熱性能與壓力損失的影響

為了分析并聯(lián)流道對(duì)傳熱性能與壓力損失的影響，將水冷板散熱器3的內(nèi)部流道簡(jiǎn)化如圖6所示。其中，D為主管路當(dāng)量直徑；L1、L2、L3為主管路長(zhǎng)度；d為分流道支路當(dāng)量直徑；l為支路長(zhǎng)度。

圖6 并聯(lián)流道示意圖

主要壓損為沿程阻力損失，計(jì)算公式見(jiàn)式(4)

(4)

式中：λ為摩擦系數(shù)；L、D分別為管長(zhǎng)和管徑，m；u為流體速度，m/s；QV為體積流量，m3/s；A為流道截面積，m2。

在并聯(lián)管路中，任一管路的總壓力損失等于流經(jīng)的總管壓力損失和分流支路壓力損失之和。即：

(5)

式中：qv為分流支路的體積流量，m3/s。

由式(5)可知，當(dāng)分流支路的當(dāng)量直徑較小時(shí)，支路的壓力損失占主導(dǎo)，各支路流量受支路壓力損失控制，所以各支路的流量分配較均勻。而當(dāng)支路當(dāng)量直徑較大時(shí)，主管路的壓力損失占主導(dǎo)，各支路流量受主管路壓力損失控制，則此時(shí)各支路的流量分配不均勻，越遠(yuǎn)離入口處的支路流量越小。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文采用Icepak數(shù)值模擬的方法，研究了不同結(jié)構(gòu)形式的水冷板散熱器的換熱性能與壓力損失。同時(shí)又分析了水冷板散熱器3的分流道截面積、并聯(lián)流道布局對(duì)傳熱性能與壓力損失的影響，得出以下結(jié)論：

1)并聯(lián)形式的水冷板散熱器3的換熱性能最好，且其表面溫度分布均勻，流道壓力損失適中。在進(jìn)口流量為15 L/min，進(jìn)口水溫45 ℃時(shí)，水冷板散熱器3的最高溫度為63.59 ℃，壓力損失為59 295.96 Pa。

2)當(dāng)分流道截面積逐漸增大時(shí)，散熱器最高溫度逐漸升高，兩者近似呈正比，壓力損失呈反比例降低。這是因?yàn)殡S著截面積增加，在流量一定的情況下，分流道內(nèi)的速度逐漸降低，所以換熱效果及壓損逐漸降低。

3)當(dāng)分流道支路當(dāng)量直徑較小時(shí)，支路的壓力損失占主導(dǎo)，各支路流量受支路壓力損失控制，所以各支路的流量分配較均勻。而當(dāng)支路當(dāng)量直徑較大時(shí)，主管路的壓力損失占主導(dǎo)，各支路流量受主管路壓力損失控制，則此時(shí)各支路的流量分配不均勻，越遠(yuǎn)離入口處的支路流量越小。所以設(shè)計(jì)并聯(lián)流道時(shí)，需要考慮支路流量是否均勻。

4)需要注意的是，實(shí)際工業(yè)應(yīng)用過(guò)程中，并非一味追求散熱器的溫度越低越好。而是要綜合考慮壓力損失大小、加工成本，保證散熱器溫度在允許范圍之內(nèi)即可。