王 粲 李進(jìn)強(qiáng)

（華星先進(jìn)科學(xué)技術(shù)應(yīng)用研究有限公司，天津 300380）

隨著環(huán)保意識加強(qiáng)，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)逐漸受到重視。逆變器的控制技術(shù)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵，由于IGBT 模塊的性能優(yōu)異，因此在逆變器中可以進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換和能量傳輸。但是IGBT 在工作過程中隨著熱流密度快速變大會產(chǎn)生大量熱量，如果未能及時(shí)散熱，熱能逐步積累就會導(dǎo)致溫度迅速升高，最終導(dǎo)致元件被燒毀。研究表明，在其正常運(yùn)行的溫度區(qū)間，每上升10 ℃，器件失效概率以約2 倍的速度遞增[1-4]。

針對風(fēng)力發(fā)電機(jī)這種熱流密度高且噪聲要求低的場景，強(qiáng)制風(fēng)冷方式能獲得更好的散熱效果且工程上易實(shí)現(xiàn)[5]。因此，需要對散熱器結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，楊浩南等[6]篩選出散熱器的最佳垂直截面形狀為三角形。郝玉軒等[7]針對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組高溫報(bào)警的原因進(jìn)行分析，改造強(qiáng)制風(fēng)冷設(shè)備，IGBT 模塊溫度高報(bào)警下降了65%。葛文明等[8]對散熱器外殼筋條排布進(jìn)行優(yōu)化，可以滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)要求。綜上所述，目前針對基于強(qiáng)制風(fēng)冷的翅片散熱器結(jié)構(gòu)相關(guān)的研究相對空缺，因此該文使用COMSOL Multiphysics 平臺對IGBT 芯片及散熱器模型進(jìn)行有限元模擬計(jì)算，以探究其溫度分布情況，總結(jié)溫度隨散熱翅片厚度、翅片數(shù)量以及流體域空間大小變化的規(guī)律。

1 建立原有散熱器三維模型

散熱器的基本結(jié)構(gòu)通常包括起均溫作用的背板以及起散熱作用的翅片。散熱翅片提供有效的散熱面積，提高翅片的散熱性能，對整個(gè)散熱器的性能有至關(guān)重要的作用。降低翅片與背板之間熱阻值的最有效的辦法是使翅片與基板一體成型[9-10]。某風(fēng)力發(fā)電機(jī)艙內(nèi)逆變器用散熱器的設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，假設(shè)翅片與背板一體成型，翅片截面為矩形，如圖1 所示。散熱器整體設(shè)置為鋁材料，背板上對稱放置2 個(gè)英飛凌FZ1600R17HP4 型逆變器，逆變器總功率為10.5 kW，以熱損耗比例5%進(jìn)行推算，即熱功率為525.0 W，每個(gè)逆變器包括16 組芯片，每組芯片的熱功率為32.8 W。

表1 翅片散熱器設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 翅片散熱器示意圖

為了得到較準(zhǔn)確的仿真結(jié)果，合理地對原模型進(jìn)行簡化并做出以下假設(shè)：1） IGBT 芯片作為整個(gè)模塊的熱源，熱功率損耗作為虛擬熱源直接加載到模塊上[11]，對逆變器結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化處理，幾何模型如圖2 所示，由上自下包括芯片層、焊料層、PCB 基板（陶瓷層和銅層）和底板層。2） 熱量通過基板層向下傳遞，假設(shè)各層材料均勻，不考慮各向異性。3） 流體域內(nèi)空氣流動是強(qiáng)迫對流作用的對流換熱問題，氣體流動是穩(wěn)定且不可壓縮的，因此將整個(gè)流場設(shè)置為穩(wěn)態(tài)層流，忽略流體域內(nèi)的輻射傳熱。

圖2 IGBT 模塊及散熱器仿真模型

針對翅片散熱器，采用散熱風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制風(fēng)冷散熱，在原散熱器結(jié)構(gòu)的仿真建模中，流體域的尺寸設(shè)置為483mm×510mm，風(fēng)扇采用靜壓曲線控制，參數(shù)見表2。

表2 強(qiáng)制風(fēng)冷風(fēng)扇參數(shù)

2 求解方法以及邊界條件設(shè)置

由于散熱器的形狀規(guī)則，在流體流體流動過程中2 層流體之間沒有相互作用與混摻。因此采用固體與流體傳熱接口和層流接口進(jìn)行多物理場非等溫流動耦合計(jì)算。采用用于不可壓縮流動和可壓縮流動的N-S 方程進(jìn)行求解，如公式（1）～公式（3）所示。

式中：ρ為流體密度；t為時(shí)間；u為流體速度；p為靜壓；τ為應(yīng)力張量；F為體積力源項(xiàng)；Cp為比熱容；T為溫度；q為熱量流通量；Q為熱源項(xiàng)；S為黏性耗散項(xiàng)。

邊界條件是流體在邊界上流動和傳熱過程中控制方程滿足的條件。在該模型中，滑移壁面的邊界條件是假設(shè)壁面無黏性效應(yīng)，即無邊界層擾動影響；層流接口中進(jìn)口邊界條件為風(fēng)扇入風(fēng)口，法向流的靜壓曲線數(shù)據(jù)見表2，溫度為298 K，絕對壓力為101 325 Pa，出口邊界條件為靜壓為0 Pa 并抑制回流。對網(wǎng)格進(jìn)行手動劃分，以避免由物理場控制網(wǎng)格出現(xiàn)結(jié)果不收斂的問題，模型求解自由度為835 014，包括324 235 個(gè)內(nèi)部自由度，156 456 個(gè)網(wǎng)格頂點(diǎn)。

3 原結(jié)構(gòu)散熱器溫度場分析

通過COMSOL Multiphysics 軟件的后處理功能得到的逆變器芯片以及散熱器的溫度分布云圖如圖3 所示。由圖3 可知，IGBT 芯片最高溫度為111.0 ℃，散熱器背板的最高溫度為48.8 ℃，而模型最低溫度均為24.9 ℃，即最低溫度分布在散熱器翅片末端，芯片與散熱器的最大溫差為86.1 ℃，整體溫差很大。由圖3（b）可知，由于強(qiáng)制風(fēng)冷的作用，因此出風(fēng)口端的溫度明顯比入風(fēng)口端高，風(fēng)扇對溫度分布的影響十分明顯。

圖3 原模型溫度分布云圖

4 仿真結(jié)果與討論

4.1 翅片厚度對散熱結(jié)果的影響

為了探究翅片厚度對散熱結(jié)果的影響，在相同的計(jì)算分析條件下，對9 組不同厚度的翅片結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，得到的IGBT 芯片及散熱器最高溫度變化趨勢如圖4 所示。在原模型中，翅片厚度為0.785 mm，芯片最高溫度為111.0 ℃，散熱器最高溫度為48.8 ℃。由圖4 可知，隨著翅片厚度增加，芯片的溫度先降低再升高。翅片厚度增加可以使更多熱量進(jìn)入散熱器，因此，當(dāng)翅片厚度為0.5 mm～2.0 mm 時(shí)，隨著翅片厚度增加，散熱效果變好，芯片溫度降低。而隨著翅片厚度增加，翅片間距變小，翅片邊界的黏滯作用變強(qiáng)，導(dǎo)致空氣流動不充分，從而導(dǎo)致散熱效果變差。在實(shí)際工程中，隨著翅片厚度增加，散熱器的質(zhì)量增加，同時(shí)成本也會增加。因此，當(dāng)設(shè)計(jì)、優(yōu)化散熱器結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)該綜合考量以上情況，最佳的翅片厚度為2.0 mm。

圖4 不同翅片厚度的IGBT 芯片及散熱器溫度

4.2 翅片數(shù)量對散熱結(jié)果的影響

為了探究翅片數(shù)量對散熱結(jié)果的影響，在相同的計(jì)算分析條件下，在48 組翅片結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上對翅片數(shù)量進(jìn)行調(diào)整，對10 組不同厚度的翅片結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，得到的IGBT芯片及散熱器最高溫度變化趨勢如圖5 所示。由圖5（a）可知，翅片數(shù)由40 片增至50 片的過程中，芯片溫度呈上升的趨勢，同時(shí)散熱器的溫度也呈上升的趨勢；當(dāng)翅片數(shù)由50 片增至65 片時(shí)，芯片溫度維持在一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值，即112 ℃，而散熱器的溫度是先升高再降低的，其原因是翅片數(shù)量增加，翅片的散熱面積會增加，換熱效率也會提高，然而芯片與散熱器之間的熱傳遞是通過焊料層、基板層等向下傳遞的，散熱器的溫降不足以加速熱傳導(dǎo)過程。隨著翅片數(shù)量進(jìn)一步增加，當(dāng)由65 片增至85 片時(shí)，芯片溫度經(jīng)歷一個(gè)先降溫再持續(xù)升溫的過程，而散熱器的溫度持續(xù)增加，其原因是翅片數(shù)量增加，翅片間距變小，空氣流動受阻，換熱過程不充分。由結(jié)果分析可知，翅片數(shù)量對芯片的溫降影響并不是線性的，反而翅片數(shù)量增加會使散熱效果變差，同時(shí)綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本，最佳翅片數(shù)量為40 片。

圖5 不同翅片數(shù)量的IGBT 芯片及散熱器溫度

4.3 流體域?qū)ι峤Y(jié)果的影響

強(qiáng)制風(fēng)冷通過加強(qiáng)散熱體與周圍環(huán)境的換熱來達(dá)到散熱效果，空氣經(jīng)過散熱翅片后溫度上升，當(dāng)從出風(fēng)口端流出時(shí)，帶走散熱器的熱量，空氣的流動空間對換熱效率有一定的影響。因此，在原模型48 組翅片機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對流體域的長、寬尺寸進(jìn)行調(diào)整，得到的IGBT 芯片及散熱器最高溫度見表3。流體域的長度設(shè)置為散熱器背板長度的1.4 倍、2.0 倍以及2.5 倍，即483.0 mm、692.0 mm 以及862.5 mm；流體域?qū)挾仍O(shè)置為背板長度的1.5 倍、2.0 倍以及2.5 倍，即382.0 mm、510.0 mm 以及637.5 mm。原模型的流體域尺寸為483mm×510mm，模型幾何示意圖如圖6 所示。由表3 可知，510.0 mm 寬度范圍的流體域的散熱效果比另外2 種尺寸差，隨著流體域?qū)挾仍黾?，芯片溫度先升高后降低，流體域長度范圍對芯片溫度的影響有限，即進(jìn)風(fēng)口的大小對溫降結(jié)果的影響并不大。最低溫度108 ℃分布在寬度范圍為2.5 倍時(shí)，即氣流的法向、氣流流動空間變大，熱量流出范圍變大，溫降效果明顯。綜上所述，機(jī)艙內(nèi)流體域空間可以設(shè)置為637.5mm×483.0mm。

表3 不同流體域尺寸的IGBT 芯片最高溫度（單位：℃）

圖6 IGBT 模塊及散熱器流體域幾何示意圖

5 結(jié)語

該文采用COMSOL Multiphysics 軟件進(jìn)行有限元計(jì)算，得到穩(wěn)態(tài)情況下風(fēng)力發(fā)電機(jī)用逆變器中IGBT 芯片以及翅片散熱器的溫度分布情況。同時(shí)，還分析了芯片溫度分布隨散熱翅片厚度、翅片數(shù)量以及流體域大小等因素變化的規(guī)律。研究分析表明，在環(huán)境條件不變的情況下，翅片散熱器的翅片厚度對散熱器的散熱效率的影響比翅片數(shù)量大，流體域的空間大小對散熱效果也有一定的影響。隨著翅片厚度增加，芯片最高溫度先升高后降低；翅片數(shù)量越多，芯片的溫度越高；流體域在寬度范圍增大會優(yōu)化散熱效果。當(dāng)翅片厚度為2.0 mm、數(shù)量為40 片且流體域尺寸為637.5mm×483.0mm 時(shí)，散熱效果最好。