利用Flotherm軟件分析的光伏逆變器散熱設(shè)計(jì)方法
1 引言
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/227754.htm小功率光伏逆變器是小型電力電子設(shè)備的典型代表,IGBT模塊作為逆變器的核心器件,在運(yùn)行過程中會(huì)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(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,IGBT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,這就需對(duì)散熱方案進(jìn)行全方位評(píng)估。
這里通過Flotherm軟件對(duì)小功率光伏逆變器進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)熱分析和多方案篩選,對(duì)比仿真數(shù)據(jù)與工程樣機(jī)實(shí)測數(shù)據(jù),驗(yàn)證了基于Flotherm分析的電力電子設(shè)備散熱設(shè)計(jì)的可行性與可靠度。
2 仿真原理與方案設(shè)計(jì)
Flotherm是一款強(qiáng)大的三維CFD軟件,CFD的仿真軟件基本思想是將原來在時(shí)間域和空間域上連續(xù)的物理量的場,用有限個(gè)離散點(diǎn)上的變量值集合來代替,通過一定原則建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上場變量間關(guān)系的代數(shù)方程組,進(jìn)行求解后獲得場變量的近似值。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。CFD仿真基本理論為:小型電子電子設(shè)備的散熱設(shè)計(jì)屬于不可壓縮、常物性、無內(nèi)熱源的三維對(duì)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。
質(zhì)量守恒方程為:
式中:u,v,w是速度矢量V在直角坐標(biāo)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(tuán)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(dǎo)熱系數(shù);cp為流體的定壓比熱容。
動(dòng)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(dòng)。
Flotherm軟件中的Command Center模塊采用了多目標(biāo)優(yōu)化算法,是一種在多個(gè)變量參數(shù)中確定最佳方案的途徑。為避免優(yōu)化設(shè)計(jì)中出現(xiàn)局部最優(yōu)代替全局最優(yōu),軟件引入了代價(jià)函數(shù):
f=W1R1+W2R2+KWNRN (4)
式中:W為代價(jià)權(quán)重;R為目標(biāo)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(gè)輸入變量組合對(duì)應(yīng)一個(gè)實(shí)驗(yàn)。IGBT散熱器優(yōu)化方案就是通過Command Center模塊實(shí)現(xiàn)的。
以上介紹了Flotherm的仿真原理,對(duì)于一個(gè)實(shí)際換熱問題,借助Flotherm實(shí)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(guān)鍵器件尺寸、熱耗分布、接觸熱阻、材料屬性等。對(duì)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)為500次;②主要尺寸參數(shù):機(jī)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(jié)構(gòu)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(diǎn)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(gè)IGBT模塊及位于機(jī)箱背部編號(hào)為1~7的7個(gè)電感。箱體中各單板或模塊上所有功耗器件的型號(hào)、熱耗、最大殼溫等參數(shù)如表1所示。
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為450x200x90 mm。散熱器功率P=600 W,根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),基板厚度a=7lg-6,a最小值為2mm。P=600 W時(shí),a=13.447mm,取a=14mm。根據(jù)風(fēng)速初步估計(jì),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
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