電壓源換流器用水冷散熱器的數(shù)值模擬與優(yōu)化

引言

隨著半導(dǎo)體器件及控制技術(shù)的高速發(fā)展,新型半導(dǎo)體器件絕緣柵雙極晶體管(InsulatedGateBipolarTransistor,IGBT)在電力電子裝置中獲得了廣泛的運(yùn)用。如柔性直流輸電技術(shù)采用的換流元件是既可以控制導(dǎo)通又可以控制關(guān)斷的雙向可控電力電子器件,其典型代表是IGBT。IGBT在開(kāi)關(guān)工作中要消耗大量的能量,這部分能量會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能,使IGBT的溫度升高。美國(guó)空軍航空電子完整計(jì)劃曾對(duì)所有芯片的失效原因做過(guò)分析,如IGBT等功率器件以及電子設(shè)備55%的失效原因是溫度過(guò)高。所以,就必須利用熱傳遞特性對(duì)功率器件采用合適的冷卻技術(shù),對(duì)它們的溫升進(jìn)行控制,從而保證電力電子裝置或系統(tǒng)正常、可靠地工作。

目前,電力電子裝置中常用的散熱方式為自然冷卻、強(qiáng)迫風(fēng)冷、強(qiáng)迫水冷、油冷等四種。強(qiáng)迫風(fēng)冷的散熱效果是自然風(fēng)冷的5~10倍,油冷或水冷的散熱效果是自然冷卻的120~150倍。風(fēng)冷比水冷有著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)容易等優(yōu)點(diǎn),但系統(tǒng)龐大并且風(fēng)機(jī)噪聲較大:水冷系統(tǒng)散熱效率最高,并且沒(méi)有油冷帶來(lái)的污染問(wèn)題。所以,綜合噪聲和體積,本裝置采用水冷的散熱形式。

1水冷散熱器的設(shè)計(jì)

1.1散熱原理

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方式通常伴隨兩種或三種方式一起進(jìn)行,如水冷散熱系統(tǒng),就包含了導(dǎo)熱和對(duì)流兩個(gè)過(guò)程。功率器件通過(guò)導(dǎo)熱將熱量傳導(dǎo)到散熱器上,熱量通過(guò)散熱器被冷卻液帶走。水冷系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

熱傳導(dǎo)是指同一介質(zhì)或不同介質(zhì)間由于溫差產(chǎn)生的傳熱現(xiàn)象。熱傳導(dǎo)的表達(dá)式為:

式中,Q為熱傳導(dǎo)換熱量(w):入為材料的導(dǎo)熱系數(shù)[w/(m2·℃)]:A為垂直于導(dǎo)熱方向的截面積(m2):d1/d%為沿等溫面法線方向的溫度梯度:負(fù)號(hào)表示熱量傳遞的方向與溫度梯度相反。

對(duì)流換熱是指由于流體的宏觀運(yùn)動(dòng)而引起流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移,冷、熱流體相互摻混所導(dǎo)致的熱量傳遞過(guò)程。用牛頓冷卻公式表達(dá)如下:

式中,Q為對(duì)流換熱量(w):hc為對(duì)流換熱系數(shù)[w/(m2·℃)]:A為壁面的有效對(duì)流換熱面積(m2):1w為固體表面的溫度(℃):1f為冷卻流體的溫度(℃)。

1.2水冷散熱器的流量計(jì)算

在水冷系統(tǒng)中,冷卻液流量是重要的指標(biāo)之一。根據(jù)對(duì)流換熱表達(dá)式,在發(fā)熱量不變的情況下,流量越大,對(duì)流換熱系數(shù)hc越大,功率器件的表面溫度越低,散熱效果越好。但流量并不能無(wú)限制地增大,因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)的壓力是隨流量的指數(shù)形式成正比增加,所以水冷系統(tǒng)的壓力限制了流量的取值上限。冷卻液流量的大小取決于發(fā)熱器件的功率以及冷卻液的進(jìn)出口溫升,由下列方程式來(lái)決定:

式中,Qv為流量(L/s):P為功率器件的熱損耗(w):Cp為冷卻液的比熱[kJ/(kg·℃)]:y為冷卻液的密度(kg/m3):A1為冷卻液的溫升(℃)。

取循環(huán)冷卻液的進(jìn)、出口溫度差為A1=8℃,冷卻液為純水。25℃時(shí)水的比熱容Cp=4.186kJ/(kg·℃),y=996kg/m3,水冷散熱器功率器件總損耗為1.5kw。根據(jù)上式計(jì)算可得Qv=2.7L/min。上述計(jì)算未考慮輻射換熱。

1.3水冷散熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本裝置采用模塊化級(jí)聯(lián)式設(shè)計(jì),每個(gè)機(jī)柜中放置若干個(gè)水冷功率單元,結(jié)構(gòu)緊湊。每個(gè)水冷功率單元中放置一個(gè)水冷散熱器,水冷散熱器的長(zhǎng)、寬、高分別為475mm×180mm×30mm,進(jìn)出水口在水冷散熱器的同側(cè),間隔300mm。主要發(fā)熱器件為IGBT模塊以及均壓電阻。水冷散熱器正面放置兩個(gè)IGBT模塊(型號(hào)為FF600R17ME4),背面布置兩個(gè)均壓電阻。IGBT模塊放置于水冷散熱器的中央,兩個(gè)IGBT模塊之間的間隔為70mm。水冷散熱器的流道為串聯(lián)S型流道,水路只有一條主通路,但在每個(gè)IGBT基板下的水道中設(shè)置了8條分流道，用來(lái)增加流速,減小此處的溫升。水冷散熱器的結(jié)構(gòu)布局與水道的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

(a)水冷散熱器的結(jié)構(gòu)布局圖(b)水道的結(jié)構(gòu)模型圖2散熱器的結(jié)構(gòu)布局圖以及仿真計(jì)算模型

1.4仿真參數(shù)的設(shè)置

水冷功率單元中,主要發(fā)熱器件為1GBT模塊以及均壓電

阻。1GBT模塊的損耗來(lái)源于內(nèi)部的1GBT芯片和二極管芯片的損耗。每個(gè)1GBT模塊的損耗約為710w,每個(gè)均壓電阻的損耗為40w。仿真邊界條件設(shè)置如下:將整個(gè)水冷散熱器以及功率器件作為整個(gè)模擬區(qū)域。水冷散熱器的外形尺寸為475mm×180mm×30mm,水冷散熱器材質(zhì)為鋁,冷卻介質(zhì)為純水,環(huán)境溫度設(shè)為40℃,進(jìn)水溫度為45℃。進(jìn)水流量設(shè)置為3L/min。為了減少仿真的計(jì)算量,加快仿真速度,在保證精度的前提下,要對(duì)仿真模型進(jìn)行合理地優(yōu)化。本次仿真忽略了1GBT驅(qū)動(dòng)板等發(fā)熱功率較小的器件,忽略了1GBT模塊和電阻等安裝孔以及輻射換熱的熱量。

2熱仿真計(jì)算與分析

根據(jù)1.4中的邊界條件,對(duì)水冷散熱器進(jìn)行熱仿真模擬,得到進(jìn)水流量為3L/min時(shí),水冷散熱器表面的最大溫升為29℃,溫度云圖以及流體速度云圖如圖3、圖4所示。從圖3可以看出,水冷散熱器表面最大溫升點(diǎn)在靠近出水口處的第二個(gè)1GBT處。兩個(gè)1GBT的均溫性比較一般,有3℃左右的溫度差。由圖4的速度云圖可以看出,在1GBT下方的分流道中流速不均,并沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的效果。

圖3進(jìn)水流量為3L/min時(shí)水冷散熱器溫度云圖

圖4進(jìn)水流量為3L/min時(shí)水冷散熱器速度云圖

下面對(duì)水冷散熱器進(jìn)行優(yōu)化,從增加進(jìn)水流量以及增加擾流柱兩個(gè)方面進(jìn)行仿真優(yōu)化。在仿真的過(guò)程中,其他邊界條件保持不變。

2.1增加進(jìn)水流量對(duì)水冷散熱器的影響

在邊界條件保持不變的情況下,增加水冷散熱器進(jìn)水流量分別至6L/min、9L/min、12L/min及15L/min時(shí),得到水冷散熱器最大溫升以及壓降,并對(duì)比之前3L/min的仿真結(jié)果,如圖5所示。從圖5的仿真數(shù)據(jù)來(lái)看,當(dāng)進(jìn)水流量增大時(shí),水冷散熱器表面的溫升在不斷降低,但壓降也在不斷增大。當(dāng)流量增加到9L/min以后,溫升的下降趨勢(shì)變緩。然而隨著流量的增大,壓降卻一直呈現(xiàn)指數(shù)形式增長(zhǎng)。壓降的增大對(duì)循環(huán)泵乃至整個(gè)水冷系統(tǒng)都是額外的消耗,同時(shí)也會(huì)增加冷卻液泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。所以進(jìn)水流量并不是越大越好,需要綜合考慮,在一定范圍內(nèi),選取最優(yōu)值。

圖5水冷散熱器表面溫升以及壓降隨流量變化圖

流量為9L/min時(shí),水冷散熱器溫度云圖如圖6所示。

2.2增加擾流柱對(duì)水冷散熱器的影響

分別設(shè)計(jì)圓形和菱形兩種擾流柱,用來(lái)增加擾流以及增加散熱器內(nèi)流道流速,提高水冷散熱器的散熱效果。兩種擾流柱的水道結(jié)構(gòu)圖如圖7所示,分別對(duì)兩種水道結(jié)構(gòu)在不同的流量下進(jìn)行仿真模擬。得到溫升以及壓降的結(jié)果與之前無(wú)擾流柱的方案進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看出,加上擾流柱后,水冷散熱器的表面溫升以及壓降隨流量的變化趨勢(shì)與不加擾流柱的趨勢(shì)基本一致。加了擾流柱后,由于加強(qiáng)了擾流效果以及增加了流速,所以溫升較之前有所下降,其中圓形擾流柱的方案溫升較低,菱形擾流柱方案溫升稍高,但兩者相差不大。與之相對(duì)比,添加擾流柱后,壓降均比之前有所提高,其中圓形較高,菱形低些。通過(guò)對(duì)添加擾流柱的水冷散熱器的仿真模擬,綜合溫升和壓降,最后確定水冷散熱器的方案為添加菱形擾流柱。

流量為9L/min時(shí),添加擾流柱的水冷散熱器溫度云圖如圖9所示。

3結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)水冷散熱器的熱仿真分析,研究了增加進(jìn)水流量對(duì)水冷散熱器性能的影響。隨著進(jìn)水流量的增加,水冷散熱器的表面溫升下降。當(dāng)流量增加到一定值后,溫升下降的趨勢(shì)變緩。但是,流量增加時(shí),壓降也呈現(xiàn)指數(shù)形式的增加。所以進(jìn)水流量并不是越大越好,需要綜合考慮溫升和壓降,選定合理的取值。

根據(jù)仿真模擬,研究了添加兩種擾流柱對(duì)水冷散熱器表面溫升以及壓降的影響趨勢(shì),并與不加擾流柱的方案進(jìn)行對(duì)比。添加擾流柱后,溫升及壓降的變化趨勢(shì)與不加擾流柱的趨勢(shì)基本一致。其中,菱形擾流柱方案的溫升與圓形擾流柱方案相似,但壓降比圓形擾流柱方案小,所以最終方案為添加菱形擾流柱。