基于Flotherm分析的光伏逆變器的散熱設(shè)計(jì)
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在Command Center中輸入優(yōu)化的相關(guān)參數(shù)：肋高40～65 mm，肋片厚度1～4 mm，a為14～20 mm，肋間距5～7 mm。目標(biāo)函數(shù)定義為編號(hào)A～E的IGBT模塊的殼溫。同時(shí)監(jiān)視散熱器的基板溫度及其進(jìn)出口空氣溫度。關(guān)鍵器件IGBT散熱器設(shè)計(jì)優(yōu)化參數(shù)如下：散熱器包絡(luò)體積為450x 200x76．5 mm，a=16．5 mm，肋片數(shù)為30，肋高60 mm，肋片厚度1．2 am，平均肋間距6．345 mm。
ICBT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。其次封裝在箱體背部下方的7個(gè)電感總熱耗為210 W，利用風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)在電感附近造成湍流氣流強(qiáng)化散熱。
基于上述熱耗分析，確定強(qiáng)制風(fēng)冷總熱耗Wtot=600 W，估計(jì)進(jìn)出風(fēng)口溫升△T≈14℃，由工程經(jīng)驗(yàn)可得系統(tǒng)所需有效風(fēng)量為：
q=1．76Wtot／△T (5)
算出q=75 CFM，根據(jù)箱體空間結(jié)構(gòu)選擇大小8 038的軸流風(fēng)機(jī)對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行冷卻，假定此風(fēng)機(jī)工作在效率最大點(diǎn)：靜壓85 Pa，風(fēng)量45 CFM。評(píng)估此系統(tǒng)至少需兩臺(tái)風(fēng)機(jī)并聯(lián)。通過系統(tǒng)仿真分析、篩選，此方案中5個(gè)功率模塊共用一塊散熱器，上下機(jī)殼開孔率及進(jìn)出風(fēng)口開孔率均為60％。
基于Flotherm軟件仿真，對(duì)照圖1中功率元器件編號(hào)，5個(gè)ICBT模塊殼溫由A～E依次為82．5 ℃，84．8 ℃，86．6 ℃，92．7℃，93．8 ℃；7個(gè)電抗器編號(hào)1～7，殼溫分別為65．7 ℃，65．4 ℃，65．2℃，65．4℃，64．8℃，64．7 ℃，65．2 ℃。
圖2為CFD求解過程中監(jiān)控點(diǎn)溫度隨迭代步數(shù)的收斂變化趨勢。7個(gè)電抗器處于右側(cè)兩個(gè)風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)造成的湍流區(qū)域中，其冷卻效果得到強(qiáng)化。本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/192796.htm
IGBT模塊中集成的IGBT芯片、二極管芯片和場效應(yīng)管的結(jié)溫為：
Tj=Tc+PTDPRjc (6)
式中：PTDP為IGBT單芯片的最大熱耗；Rjc為芯片結(jié)點(diǎn)至外殼的熱阻，該值可在廠商提供的器件資料中查詢到。
由于評(píng)估的IGBT模塊集成技術(shù)、內(nèi)部布局為廠家機(jī)密文件，因此很難準(zhǔn)確得到模塊內(nèi)每個(gè)芯片的準(zhǔn)確熱耗、結(jié)溫、殼溫及空間坐標(biāo)。由于模塊集成度較高，且熱源(主要是IGBT，二極管，Buck)分布較均勻，工程仿真熱模型采用均勻體積熱源等效實(shí)際熱源，可近似得到功耗器件IGBT模塊的殼溫如表2(只統(tǒng)計(jì)同規(guī)格模塊中仿真溫度最大的值，且降額設(shè)計(jì)殼溫參考國軍標(biāo)Ⅱ級(jí)降額標(biāo)準(zhǔn)，系數(shù)0．8)?？梢?，IGBT模塊A～E的殼溫均未超過設(shè)定的降額殼溫，且有適當(dāng)余量。電感Lin，Lout，L1～L7殼溫均遠(yuǎn)低于降額設(shè)計(jì)溫度，散熱設(shè)計(jì)冗余，均可長期安全可靠工作。
3 實(shí)驗(yàn)
在某地區(qū)實(shí)驗(yàn)溫度為60℃的高溫箱內(nèi)，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行滿載熱測試，數(shù)據(jù)如表3所示。
通過對(duì)比表2，3可見，實(shí)測殼溫均低于仿真值?？紤]海拔對(duì)空氣換熱系數(shù)hc的影響，有：
hch／hcl=(ph／pl)0.5 (7)
式中：hch，hcl分別為高空和海平面的空氣換熱系數(shù)；ph，pl分別為高空和海平面的大氣壓力。
該地區(qū)十月份ph=97 470 Pa，Pl=101 325 Pa，計(jì)算得hch=0．98hcl。牛頓冷卻公式為Q=hcA△T，假設(shè)換熱量Q不變，可推測溫升增加到原來的1．02倍。以表3中A～C為例，加入海拔因素的修正殼溫Tx=60+(82．1-60)／1．02=81．7℃。對(duì)比表2，3，加入海拔修正后，仿真殼溫與實(shí)測修正后的殼溫最高僅差4．9℃，驗(yàn)證了基于Flotherm軟件分析的電力電子設(shè)備散熱設(shè)計(jì)的優(yōu)勢和可靠度。
4 結(jié)論
對(duì)于電力電子設(shè)備的散熱設(shè)計(jì)問題，采用基于Flotherm分析的散熱設(shè)計(jì)方法能較準(zhǔn)確評(píng)估實(shí)際工況中的溫度、速度、壓力場分布及風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)，從而幫助設(shè)計(jì)人員快速確定最佳設(shè)計(jì)方案。此外，運(yùn)用Flotherm熱分析手段進(jìn)行多方案篩選并確定的最優(yōu)方案能有效指導(dǎo)產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)，前期規(guī)避熱風(fēng)險(xiǎn)，提高產(chǎn)品可靠性和市場競爭力，同時(shí)可以縮短研發(fā)周期，降低開發(fā)成本，有效解決實(shí)驗(yàn)研究中開發(fā)周期長，成本高的問題。
評(píng)論