摘 要：

電力電子設(shè)備不斷提高的集成度和功率密度，對電力電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)的設(shè)計提出了新要求。目前在電力電子設(shè)備的散熱設(shè)計研究中，仍存在熱阻計算過程不完善、計算結(jié)果缺乏驗證手段以及風機選型不合理等問題。以脈沖寬度調(diào)制（PWM）變流器散熱系統(tǒng)為例，提出更為完善的散熱系統(tǒng)熱設(shè)計流程，對散熱器熱阻的計算和風機的選型給出詳細的計算過程，并采用熱仿真軟件搭建仿真模型，對熱阻、溫度和流體速度進行仿真分析，最后通過試驗平臺進行溫度數(shù)據(jù)的測試。結(jié)果表明，計算、仿真、實測數(shù)據(jù)有較好的一致性，滿足設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：

散熱器; 熱力仿真; 熱阻; 風機; 絕緣柵雙極晶體管（IGBT）

中圖分類號： TM461

文獻標志碼： A

文章編號： 2095-8188（2024）05-0088-07

DOI：

10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.05.012

Numerical Calculation of Converter Cooling System Based on Thermal Simulation

SONG Dongdong， GENG Lijun， YANG Shuanghan

（Electromechanical Testing Technology Institute，Department of Mechanical and Electrical Engineering，Hebei Technology and Normal University， Qinhuangdao 066004， China）

Abstract：

With the increasing integration of power electronics and power density the new requirements are placed on the design of power electronics cooling systems.At present，there are some researches on the heat dissipation design of power electronic equipment，but there are still some problems in the calculation of thermal resistance，the lack of verification methods for thermal resistance calculation and the unreasonable selection of fans.Taking the design of the PWM converter cooling system as an example，a more complete thermal design process of the heat dissipation system is proposed.The calculation process of the heat resistance of the radiator and the selection of the fan are given.The simulation model is built by thermal simulation software.The resistance，temperature and fluid velocity are simulated and analyzed.Finally，the test platform is built to test the temperature data.The results show that the calculation，simulation and measured data have good consistency and meet the design requirements.

Key words：

heat sink; thermal simulation; thermal resistance; fan; insulated gate bipolar transistor （IGBT）

0 引 言

隨著電力電子設(shè)備朝小型化、模塊化和高功率密度方向持續(xù)發(fā)展，電力電子器件的散熱設(shè)計逐漸成為保證產(chǎn)品性能和壽命的關(guān)鍵點。溫度過高會引起電力電子設(shè)備內(nèi)部的機械失效（如引線疲勞、芯片斷裂），甚至導致硅片的電阻下降，形成更大的電流，反過來進一步使芯片升溫。電力電子設(shè)備的平均故障間隔時間（MTBF）隨溫度成指數(shù)變化，工作溫度越低，MTBF越大，設(shè)備的可靠性越高［1-2］。大功率電力電子設(shè)備中功率器件的散熱以風冷和水冷散熱為主，其中風冷散熱中板翅式散熱器占主要地位，因此重點研究板翅式風冷散熱器具有重要意義。目前對電力電子設(shè)備的散熱系統(tǒng)已有一定的研究［3-10］。文獻［3］對熱阻的等效回路分析過于簡單，沒有考慮二極管的熱阻。文獻［4］對散熱器熱阻的計算缺乏詳細的計算過程，經(jīng)驗公式中的系數(shù)取值也較難確定。文獻［5-8］采用熱仿真軟件進行散熱效果分析，但未對散熱器熱阻進行量化計算。文獻［9］對風機的選型依賴經(jīng)驗數(shù)據(jù)，未考慮風機與系統(tǒng)的阻力特性。由以上分析可知，目前電力電子設(shè)備的散熱設(shè)計存在如下問題：

（1） 對于散熱器熱阻，目前的研究主要采用計算手段，但存在計算過程不完善的問題，同時相關(guān)文獻未對散熱器熱阻計算結(jié)果進行仿真驗證。

（2） 風機選型是熱阻計算過程中的重要環(huán)節(jié)。對于風機選型，目前的文獻依賴經(jīng)驗公式，忽略了風機和散熱器的工作曲線，進而造成熱阻計算結(jié)果不準確。

針對以上問題，本文以大功率脈沖寬度調(diào)制（PWM）變流器為例，對板翅式散熱器熱阻進行了詳細計算，并采用Qfin軟件對散熱系統(tǒng)熱阻進行了仿真，仿真結(jié)果表明了熱阻計算過程的正確性。對散熱器的工作曲線進行了詳細計算，結(jié)合風機工作曲線得到了風機的工作點。在此選型基礎(chǔ)上進行了PWM變流器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，建立了熱力仿真三維模型，對散熱器溫度、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）溫度、空氣速度進行了仿真，結(jié)果表明仿真數(shù)據(jù)與計算結(jié)果一致性較好。最后搭建了PWM變流器測試系統(tǒng)，對IGBT實際運行溫度進行了監(jiān)測，測試結(jié)果表明計算結(jié)果、仿真結(jié)果、實際測試數(shù)據(jù)三者之間具有較好的一致性。

1 強制空氣冷卻系統(tǒng)設(shè)計流程

對流換熱主要有2種方式。一種是自然對流換熱，流體運動由冷、熱流體的密度差引起，適用于熱耗散量相對較小，不需要強制空氣或者液體流動冷卻的場合;另一種是強制對流換熱，適用于熱耗散功率大的場合，流體的運動由風機、泵或其他的位壓作用引起。強制對流換熱包括2種方式：① 強制空氣冷卻方式，一般由風機強制空氣流過發(fā)熱物體，將熱量通過空氣帶走;② 強制液體循環(huán)冷卻方式，當熱流密度為3.10×103～4.65×103 W/m2或內(nèi)部有較集中的熱源時采用此方式。

強制液體循環(huán)冷卻方式雖然具有冷卻效率高等優(yōu)點，但是也存在水路易漏液及液體循環(huán)系統(tǒng)較復雜的問題。強制空氣冷卻系統(tǒng)設(shè)計流程如圖1所示。

2 散熱系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)計算

PWM變流器拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。400 V/50 Hz交流電源經(jīng)調(diào)壓器升壓后，經(jīng)二極管整流橋變?yōu)橹绷?50 V，再經(jīng)PWM變流器逆變?yōu)榻涣麟娫?，?jīng)隔離變壓器回饋到電網(wǎng)。其中，涉及的主要發(fā)熱器件為6個IGBT功率模塊VT1～VT6。

根據(jù)式（21）得到Qv=166 L/s，故選擇風機風量為166 L/s時，風機靜壓應(yīng)大于31 Pa。綜合考慮PWM變流器結(jié)構(gòu)因素，選擇3臺KA1725風機并聯(lián)工作，風機并聯(lián)可以提高風量，3臺風機并聯(lián)等效成1臺風機，該等效風機風量為3臺風機總和，但風壓仍為單臺風機風壓。并聯(lián)風機特性參數(shù)如表3所示。

根據(jù)式（18）～式（20）和表3，系統(tǒng)阻力曲線和風機曲線如圖7所示。

由圖7可知，風機的工作點為（ΔP，Qv）=（45 Pa，200 L/s），滿足設(shè)計要求，根據(jù)式（20）此時風速為7.2 m/s，散熱器總熱阻Rha=0.018 K/W。

3 PWM變流器結(jié)構(gòu)設(shè)計與熱仿真

3.1 PWM變流器結(jié)構(gòu)設(shè)計

PWM變流器包括控制板、IGBT、直流電容、風機，其結(jié)構(gòu)設(shè)計主要考慮以下3點。

（1） 各元器件的散熱。IGBT發(fā)熱量最大，需采用專門的風機和散熱器，控制板和直流電容自身發(fā)熱量較小，只需自然對流散熱。為了使IGBT產(chǎn)生的熱量不影響其他器件，IGBT散熱器需要采用單獨的散熱通道。

（2） 強弱信號之間的電磁兼容性?？刂瓢宓絀GBT的脈沖信號以及電壓和電流檢測信號都屬于弱電信號，控制板的空間位置既要遠離主回路的電磁干擾，又要使弱信號傳輸距離最短。

（3） 元器件方便維護。當更換器件時，操作應(yīng)便捷。

根據(jù)以上設(shè)計原則，PWM變流器結(jié)構(gòu)如圖8所示。

3.2 PWM變流器熱仿真

為了得到IGBT芯片及散熱器溫度，采用SolidWorks的Flow Simulation工具進行三維仿真，并對PWM變流器結(jié)構(gòu)進行了簡化，只保留IGBT、散熱器、風機和風道部分。PWM變流器熱仿真模型如圖9所示。IGBT模塊等效為硅芯片、Al2O3陶瓷基板、銅基板、導熱硅脂和NTC的組合［15］，NTC是測量IGBT模塊內(nèi)部溫度的熱敏電阻。設(shè)置仿真的邊界條件：環(huán)境溫度32.5 ℃，環(huán)境大氣壓力101.325 kPa。

PWM變流器溫度分布如圖10所示。選取IGBT的芯片、NTC、銅基板以及散熱器作為觀測點，IGBT芯片的溫度為87.5 ℃。

PWM變流器空氣流速如圖11所示。由圖11可知，空氣進入散熱器前速度約為4 m/s，空氣進入散熱器后流速變快，仿真結(jié)果顯示散熱器翅片間的平均速度為7 m/s，與計算結(jié)果7.2 m/s接近。

4 PWM變流器的熱測試

為了對計算和仿真結(jié)果的有效性進行驗證，搭建了測試平臺。PWM變流器溫度測試平臺如圖12所示。

散熱器溫度的計算、仿真與實測數(shù)據(jù)如表4所示。PWM變流器逆變功率為120 kW，開關(guān)頻率為7 kHz，環(huán)境溫度為32.5 ℃，在散熱器基板上取3個測試點，其中A點和B點在相鄰2個IGBT之間，C點在進風口位置，利用四通道溫度測試儀RDXL4SD和熱成像儀FLIRE5監(jiān)測3個測試點的溫度值，采用289C真有效值表測試6只IGBT的NTC阻值，功率單元內(nèi)部達到熱平衡后記錄各阻值。NTC溫度的仿真數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)如表5所示。

根據(jù)散熱器熱阻Rha=0.018 K/W及環(huán)境溫度Ta=32.5 ℃，結(jié)合圖3散熱器熱阻網(wǎng)絡(luò)可計算得到散熱器溫度Th=63.7 ℃。由表4可知，C點計算值和仿真值差值為4.8 K，這是因為計算值是假設(shè)散熱器表面各點溫度相同，而C點為散熱器進氣口位置，所以溫度較低。在表4中，實測值和仿真值之間最大差值為3.5 K，但兩者的趨勢是一致的，C點溫度比A點和B點溫度都低，A點和B點溫度接近。在表5中，NTC溫度的仿真值和實測值之間最大差值為4.6 K。仿真值和實測值之間的誤差是由多方面造成的，包括IGBT建模導致的誤差，測試儀器帶來的誤差，但誤差值在可接受范圍內(nèi)。

5 結(jié) 語

本文針對電力電子設(shè)備的散熱設(shè)計過程存在的問題，以PWM變流器散熱設(shè)計為例，提出了更完善的設(shè)計方法，結(jié)論如下：

（1） 對散熱器的熱阻進行了詳細的計算推導，Qfin軟件仿真結(jié)果表明，在不同的風速和翅片數(shù)量條件下，計算結(jié)果與仿真結(jié)果具有較好的一致性。

（2） 對散熱器系統(tǒng)阻力進行了詳細的計算，并得到了系統(tǒng)阻力曲線，結(jié)合風機曲線得到了風機的工作點，通過SolidWorks空氣流速仿真可知計算結(jié)果和仿真結(jié)果一致。

（3） 通過PWM變流器實際裝置的溫度測試，對計算、仿真、實測值進行了對比，結(jié)果表明三者之間的數(shù)據(jù)具有較好的一致性。

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收稿日期： 20240203