基于Flotherm分析的光伏逆變器的散熱設計

摘要：以小功率光伏逆變器的散熱設計為例，首先提出了Flotherm軟件仿真的基本思想和基本理論，介紹了散熱器優(yōu)化設計和整機系統(tǒng)熱仿真分析，包括多方案篩選優(yōu)化。通過計算流體動力學(CFD)數(shù)值仿真，與工程樣機實測數(shù)據(jù)進行對比，分析評估完全滿足工程設計要求，達到了產(chǎn)品可靠性設計的目的。同時介紹了海拔對散熱的影響和修正，較好地驗證了基于Flotherm軟件分析的電力電子設備散熱設計的優(yōu)勢和可靠度。
關鍵詞：逆變器；熱分析；熱阻；結溫

1 引言
小功率光伏逆變器是小型電力電子設備的典型代表，IGBT模塊作為逆變器的核心器件，在運行過程中會產(chǎn)生大量的熱，約有1％～1．5％的有功功率轉(zhuǎn)化為熱能，這部分熱量會使其內(nèi)部集成的功率器件管芯發(fā)熱、結溫升高。若不能及時、有效地將此熱量釋放，就會降低系統(tǒng)可靠性，甚至損壞器件。在電力電子產(chǎn)品小型化趨勢下，IGBT模塊在有限空間的散熱設計成為小型光伏逆變器散熱設計的核心，同時系統(tǒng)方案還要兼顧熱敏感器件的溫升，這就需對散熱方案進行全方位評估。
這里通過Flotherm軟件對小功率光伏逆變器進行系統(tǒng)級熱分析和多方案篩選，對比仿真數(shù)據(jù)與工程樣機實測數(shù)據(jù)，驗證了基于Flotherm分析的電力電子設備散熱設計的可行性與可靠度。

2 仿真原理與方案設計
Flotherm是一款強大的三維CFD軟件，CFD的仿真軟件基本思想是將原來在時間域和空間域上連續(xù)的物理量的場，用有限個離散點上的變量值集合來代替，通過一定原則建立起關于這些離散點上場變量間關系的代數(shù)方程組，進行求解后獲得場變量的近似值。熱設計問題本質(zhì)在于定量描述熱現(xiàn)象，小功率電力電子設備的散熱設計可通過湍流模型描述。CFD仿真基本理論為：小型電子電子設備的散熱設計屬于不可壓縮、常物性、無內(nèi)熱源的三維對流傳熱問題，結合傳熱學和流體動力學基本理論，得出描述該問題的微分方程組。
質(zhì)量守恒方程為：

式中：u，v，w是速度矢量V在直角坐標系x，y，z方向上的分量；μ為流體的粘性系數(shù)；p為流體微團所在處的靜壓力；Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z是體積力在x，y，z方向上的分量；
能量守恒方程為：

式中：λ為流體的導熱系數(shù)；cp為流體的定壓比熱容。
動量守恒、質(zhì)量守恒方程是描寫粘性流體過程的控制方程，適用于不可壓縮粘性流體的層流及湍流流動。
Flotherm軟件中的Command Center模塊采用了多目標優(yōu)化算法，是一種在多個變量參數(shù)中確定最佳方案的途徑。為避免優(yōu)化設計中出現(xiàn)局部最優(yōu)代替全局最優(yōu)，軟件引入了代價函數(shù)：
f=W1R1+W2R2+KWNRN (4)
式中：W為代價權重；R為目標輸出變量。
輸入變量通常為一定范圍內(nèi)的離散或連續(xù)值，由這些數(shù)據(jù)可形成數(shù)量可觀的輸入變量組合，每一個輸入變量組合對應一個實驗。IGBT散熱器優(yōu)化方案就是通過Command Center模塊實現(xiàn)的。
以上介紹了Flotherm的仿真原理，對于一個實際換熱問題，借助Flotherm實現(xiàn)仿真的前提是獲取物理模型參數(shù)，例如模型外形尺寸、關鍵器件尺寸、熱耗分布、接觸熱阻、材料屬性等。
對小功率光伏逆變器的物理模型參數(shù)做如下說明：①邊界條件：環(huán)境溫度60℃，標準大氣壓，氣流狀態(tài)為紊流，系統(tǒng)求解域定義為箱體體積的36倍。系統(tǒng)求解的迭代次數(shù)設為500次；②主要尺寸參數(shù)：機箱幾何尺寸750x540x380 mm，IGBT模塊熱源尺寸31．5x68．4×10 am，電抗器尺寸71x71x25 mm；③材料參數(shù)：本系統(tǒng)共涉及5種材料Steel(Mild)，Copper(Pure)，Aluminum-6061，Silicon Carbide(Typical)，Ty pical Chip Array；其結構模型如圖1所示。主要由直流輸入模塊、升壓模塊、逆變模塊和交流輸出模塊組成。主要熱耗點為分布于圖1所示的升壓和逆變PCB下端的A，B，C，D，E 5個IGBT模塊及位于機箱背部編號為1～7的7個電感。箱體中各單板或模塊上所有功耗器件的型號、熱耗、最大殼溫等參數(shù)如表1所示。

根據(jù)箱體預留散熱器空間大小，確定散熱器空間最大尺寸為450x200x90 mm。散熱器功率P=600 W，根據(jù)工程經(jīng)驗，基板厚度a=7lg-6，a最小值為2mm。P=600 W時，a=13．447mm，取a=14mm。根據(jù)風速初步估計，選取肋間距為6 mm。依據(jù)散熱器空間高度尺寸及a，選取肋高為50 mm?；鍖挾?00 mm，肋片厚度取4 mm，可估算肋片數(shù)為20。散熱器材質(zhì)為Aluminum-6061，導熱系數(shù)為180 W／(m·K)。