直流變壓器用散熱器數(shù)值模擬與優(yōu)化

引言

隨著半導(dǎo)體器件技術(shù)的高速發(fā)展,電力電子裝置正朝著大容量、高可靠性的方向發(fā)展,而其中電力電子功率器件安全可靠地工作顯得尤為重要。電力電子功率器件在工作時(shí)要消耗大量的能量,這部分能量轉(zhuǎn)化為熱能,使得器件的溫度上升。當(dāng)器件工作時(shí)的結(jié)溫Tj大于最大允許結(jié)溫Tjmax時(shí),元器件就不能安全可靠地運(yùn)行,從而帶來(lái)一系列嚴(yán)重的后果,造成巨大的損失。所以,電力電子器件的散熱設(shè)計(jì)在電力電子裝置的研制中具有舉足輕重的作用。

電力電子變壓器是一種將電力電子變換技術(shù)和基于電磁感應(yīng)原理的電能變換技術(shù)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)將一種電力特征的電能轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N電力特征的電能的電力設(shè)備。將電力電子變壓器應(yīng)用于直流電網(wǎng)中時(shí),就稱為直流變壓器。本文針對(duì)直流變壓器功率單元中的散熱器進(jìn)行數(shù)值模擬,研究散熱器基板厚度、翅片長(zhǎng)度以及厚度等因素對(duì)散熱器表面溫升的影響,從而進(jìn)行散熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì),獲得散熱器的最優(yōu)參數(shù),為電力電子裝置直流變壓器安全可靠地運(yùn)行提供理論和實(shí)踐依據(jù)。

1散熱設(shè)計(jì)

1.1散熱原理及散熱方式的選擇

熱量傳遞主要包含三種方式:導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射換熱。一般來(lái)說(shuō),電力電子裝置的散熱通常伴隨兩種或三種方式一起進(jìn)行。如功率器件通過(guò)導(dǎo)熱將熱量傳導(dǎo)到散熱器上。散熱器的熱量通過(guò)對(duì)流傳到機(jī)柜外:同時(shí),輻射也將一部分熱量傳導(dǎo)出去。目前,電力電子裝置中常用的散熱方式為:自然冷卻(包含導(dǎo)熱、對(duì)流以及輻射換熱)、強(qiáng)迫風(fēng)冷、強(qiáng)迫水冷。

一般來(lái)說(shuō),整個(gè)裝置散熱方式的選擇主要根據(jù)功率器件的熱流密度以及整個(gè)裝置的溫升要求來(lái)進(jìn)行。表1列出了不同冷卻方式對(duì)應(yīng)的換熱系數(shù),以及溫升40C下對(duì)應(yīng)的熱流密度[6]。從成本因素、可靠性要求、功率等級(jí)以及工作環(huán)境等條件綜合考慮,本裝置采用強(qiáng)迫風(fēng)冷的散熱形式。

1.2散熱器熱阻的計(jì)算

IGBT安裝在散熱器上,通過(guò)散熱器對(duì)外傳導(dǎo)熱量,在一定的使用條件下,就構(gòu)成了圖1所示的熱路圖。

圖中,Tjmax為功率器件最大允許結(jié)溫(C):Ri為功率器件的內(nèi)阻(C/w):Tc為功率器件殼溫(C):Rc為器件與散熱器表面的接觸熱阻(C/w):Tf為散熱器溫度(C):Rf為散熱器的熱阻(C/w):Ta為使用環(huán)境溫度(C)。

根據(jù)圖1,計(jì)算總熱阻的公式為:

根據(jù)選用的IGBT模塊的型號(hào)FF600R17ME4的總損耗及其他器件的損耗,從而算出散熱器的最大允許熱阻。根據(jù)最大允許熱阻,查資料并根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最大允許空間等條件,確定散熱器的初始設(shè)計(jì)長(zhǎng)、寬、高分別為450mmx90mmx260mm。

1.3仿真參數(shù)的設(shè)置

本裝置采用模塊化設(shè)計(jì),每個(gè)機(jī)柜中放置若干個(gè)功率單元,結(jié)構(gòu)緊湊,可靠性高。每個(gè)功率單元中,主要發(fā)熱器件為IGBT模塊以及均壓電阻。IGBT模塊的損耗來(lái)源于內(nèi)部的IGBT芯片和二極管芯片的損耗。一個(gè)散熱器上放置兩個(gè)IGBT模塊以及兩個(gè)均壓電阻,每個(gè)IGBT模塊的損耗約為700w,每個(gè)均壓電阻的損耗為40w。為了保證仿真精度,必須合理地設(shè)置仿真參數(shù)。仿真參數(shù)設(shè)置如下:初始散熱器的長(zhǎng)、寬、高分別為450mmx90mm×260mm,散熱器的材質(zhì)為鋁,導(dǎo)熱系數(shù)為200w/(m·k),基板的厚度為10mm,翅片的長(zhǎng)度為80mm,翅片的數(shù)量為30,厚度為1mm。其他邊界條件為:環(huán)境溫度為40C,進(jìn)口風(fēng)速為4m/s,忽略輻射換熱。散熱器的結(jié)構(gòu)布局圖與仿真計(jì)算模型如圖2所示。

2熱仿真計(jì)算

根據(jù)上述邊界條件,對(duì)散熱器進(jìn)行熱仿真模擬,得到散熱器表面的最大溫升為75℃,溫度云圖如圖3所示。溫升最大點(diǎn)在靠近出風(fēng)口的第二個(gè)1GBT處。從仿真結(jié)果看,散熱器的溫升較大,不符合設(shè)計(jì)要求。所以要對(duì)散熱器的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,提高散熱器的散熱能力。下面從基板厚度、翅片數(shù)量、翅片厚度三個(gè)方面進(jìn)行仿真優(yōu)化。在仿真的過(guò)程中,固定其他兩個(gè)參數(shù)及邊界條件,優(yōu)化單一參數(shù),從而獲得散熱器最佳的參數(shù)設(shè)置。同時(shí),還需考慮散熱器的重量以及加工等影響因素。

圖3散熱器初始設(shè)計(jì)仿真溫度云圖

2.1基板厚度對(duì)溫升的影響

在設(shè)置翅片數(shù)量、翅片厚度以及邊界條件不變的情況下,基板厚度從10mm起以5mm的幅度增長(zhǎng)并進(jìn)行仿真模擬,得到散熱器表面最大溫升以及重量如圖4所示。從圖4的仿真數(shù)據(jù)來(lái)看,當(dāng)基板的厚度增大時(shí),散熱器表面的溫升在不斷降低,當(dāng)基板厚度增加到25mm以后,溫升下降的趨勢(shì)變緩。然而隨著基板厚度的增大,散熱器的質(zhì)量也在不斷增大。而散熱器質(zhì)量的增大將導(dǎo)致安裝維護(hù)的困難以及散熱器成本的上升。所以,綜合考慮,將散熱器基板的厚度選為25mm,此時(shí)散熱器表面溫度云圖如圖5所示。

圖4散熱器表面最大溫升以及重量隨基板厚度變化圖

圖5基板厚度為25mm時(shí)散熱器溫度云圖

2.2翅片數(shù)量對(duì)溫升的影響

在設(shè)置基板厚度為25mm,翅片厚度以及邊界條件不變的情況下,翅片數(shù)量從30逐漸增加到60。根據(jù)仿真模擬,得到散熱器表面最大溫升結(jié)果如圖6所示。從仿真結(jié)果可以看出,隨著翅片數(shù)量的增加,散熱器表面的溫升呈下降趨勢(shì),當(dāng)翅片數(shù)量為50左右時(shí),下降的趨勢(shì)逐漸減緩。所以選擇散熱器翅片數(shù)量的最優(yōu)參數(shù)為52,此時(shí)散熱器表面溫度云圖如圖7所示。

圖6散熱器表面溫升隨翅片數(shù)量變化圖

圖7翅片數(shù)量為52時(shí)散熱器表面溫度云圖

2.3翅片厚度對(duì)溫升的影響

當(dāng)優(yōu)化基板厚度為25mm,翅片數(shù)量為52時(shí),使翅片的厚度從1mm增加到3mm,根據(jù)仿真模擬,得到散熱器表面最大溫升結(jié)果如圖8所示。從仿真結(jié)果來(lái)看,隨著翅片厚度的增加,散熱器表面溫升不斷減小,但減小程度相對(duì)于基板厚度以及翅片數(shù)量的影響程度偏小。雖然隨著翅片厚度的增加,散熱器表面的溫升能夠降低,但隨著翅片厚度的增加,翅片間隔變小,隨之而來(lái)的是系統(tǒng)內(nèi)壓力、流速以及重量的增大,進(jìn)而增加系統(tǒng)的噪聲以及風(fēng)扇的容量。所以,綜合考慮,翅片的厚度設(shè)置為2mm,此時(shí)散熱器表面溫度云圖如圖9所示。

3結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)散熱器的基板厚度、翅片數(shù)量及翅片厚度三個(gè)因素的仿真優(yōu)化,得到了直流變壓器用風(fēng)冷散熱器的最優(yōu)設(shè)計(jì):基板厚度為25mm,翅片數(shù)量為5m,翅片厚度為mmm,最大溫升從25℃下降到38℃,達(dá)到了優(yōu)化的目的。

本文根據(jù)仿真模擬,研究了基板厚度、翅片數(shù)量及翅片厚度三個(gè)因素對(duì)散熱器表面最大溫升的影響趨勢(shì)。其中,基板厚度和翅片數(shù)量對(duì)溫升的影響較大,而翅片厚度對(duì)溫升的影響較小。在工程運(yùn)用中,需考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、重量以及加工等因素,從而獲得最優(yōu)的散熱器設(shè)計(jì)參數(shù)及方案。