儲(chǔ)能逆變器散熱分析

引言

儲(chǔ)能逆變器屬于小型電力電子設(shè)備,屬于戶用儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心設(shè)備。為了滿足家庭用戶的要求,同等功率逆變器的體積日趨于小型化,而其防護(hù)等級要求卻越來越高,這就對散熱器的熱設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

Mos管及變壓器作為逆變器的主要功率器件,在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱,這部分熱量會(huì)使其內(nèi)部集成的功率器件管芯發(fā)熱、結(jié)溫升高。若不能及時(shí)有效地將此熱量釋放,就會(huì)降低系統(tǒng)可靠性,甚至損壞器件。在電力電子產(chǎn)品小型化趨勢下,模塊在有限空間的散熱設(shè)計(jì)成為小型光伏逆變器散熱設(shè)計(jì)的核心,同時(shí)系統(tǒng)方案還要兼顧熱敏感器件的溫升,這就需要對散熱方案進(jìn)行全方位評估。

1仿真原理

熱設(shè)計(jì)問題本質(zhì)在于定量描述熱現(xiàn)象,小功率電力電子設(shè)備的散熱設(shè)計(jì)可通過湍流模型描述。電子設(shè)備的熱技術(shù)包括了熱分析、熱設(shè)計(jì)、熱測試三個(gè)環(huán)節(jié)。熱量的傳遞有三種基本方式:導(dǎo)熱、對流和輻射。三種形式可以單獨(dú)出現(xiàn),也可兩種或三種形式同時(shí)出現(xiàn)。

熱傳導(dǎo):由于動(dòng)能從一個(gè)分子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)分子而引起的熱傳遞。在純導(dǎo)熱中,單位時(shí)間內(nèi)通過給定面積的熱量。導(dǎo)熱基本定律,傅里葉定律:

熱對流:流動(dòng)的流體與固體壁面直接接觸時(shí),由于溫差引起的相互之間的熱能傳遞過程。既有流體分子間的導(dǎo)熱,又有流體本身的對流作用。

熱輻射:與對流換熱與熱傳導(dǎo)有本質(zhì)不同,它能把能量以光的速度穿過真空從一個(gè)物體傳給另一個(gè)物體。物體中電子震動(dòng)或激發(fā)的結(jié)果,以電磁波的形式向外發(fā)射能量。

小型電子設(shè)備的散熱設(shè)計(jì)屬于不可壓縮、常物性、無內(nèi)熱源的對流傳熱問題,結(jié)合傳熱學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)基本理論,得出描述該問題的微分方程組[2]。動(dòng)量守恒、質(zhì)量守恒方程是描寫?zhàn)ば粤黧w過程的控制方程,適用于不可壓縮黏性流體的層流及湍流流動(dòng)。簡化二維分析,其控制方程式如下:

質(zhì)量守恒方程:

動(dòng)量守恒方程:

能量守恒方程:

2方案設(shè)計(jì)

對于一個(gè)實(shí)際換熱問題,首先是獲取物理模型參數(shù),如模型外形尺寸、關(guān)鍵器件尺寸、熱耗分布、材料屬性等。根據(jù)箱體預(yù)留散熱器空間大小,確定散熱器空間最大尺寸450mm×560mm×208mm。根據(jù)散熱器功率、安裝強(qiáng)度要求,基板厚度為13mm。根據(jù)風(fēng)扇初步選型,設(shè)置散熱器肋片厚度范圍1~3mm、肋片數(shù)為變量10~30個(gè),設(shè)置目標(biāo)函數(shù)為散熱器最小熱阻。散熱器材質(zhì)為6063,監(jiān)視散熱器溫度。模塊功率密度較高,散熱空間有限,在散熱器兩端加裝風(fēng)機(jī)以強(qiáng)冷方式散熱?；谏鲜鰺岷姆治?確定強(qiáng)制風(fēng)冷總熱耗294w。

熱設(shè)計(jì)原則為熱損耗大的器件放置在散熱器的上部:內(nèi)部元件均布排列,元器件與散熱器接觸的位置,涂導(dǎo)熱硅脂塞滿空氣間隙,使器件和散熱器緊密接觸,以降低熱阻,提高散熱效率。逆變器內(nèi)部整體布局,熱耗元器件主要為變壓器、電感、Mos管等。

圖1為優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果。運(yùn)用有限元軟件solve/runoptimization對散熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),計(jì)算結(jié)果顯示:肋片數(shù)量29個(gè),肋片厚度2.47mm,此時(shí)散熱器熱阻最小。

圖1優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果

圖2為散熱器上元器件熱傳導(dǎo)溫度梯度,圖3為風(fēng)扇流動(dòng)軌跡。經(jīng)與實(shí)際測試溫度對比,證明了熱仿真的有效性。

3結(jié)語

通過有限元分析軟件對逆變器整體熱功率器件進(jìn)行熱仿真,形象地揭示了各功率器件的溫度場分布梯度。散熱器一端使用兩個(gè)軸流風(fēng)扇,使逆變器整體溫度有明顯的降低:確定功率器件分布后,設(shè)置相關(guān)的優(yōu)化項(xiàng),對散熱器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),得出散熱器熱阻最小值時(shí)散熱器的齒數(shù)及相應(yīng)齒厚。根據(jù)仿真結(jié)果判定,此方案熱設(shè)計(jì)符合相關(guān)規(guī)范,最高溫度在允許范圍內(nèi),溫度分布合理。