利用Flotherm軟件分析的光伏逆變器散熱設(shè)計方法
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。目標函數(shù)定義為編號A~E的IGBT模塊的殼溫。同時監(jiān)視散熱器的基板溫度及其進出口空氣溫度。關(guān)鍵器件IGBT散熱器設(shè)計優(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機以強冷方式散熱。其次封裝在箱體背部下方的7個電感總熱耗為210 W,利用風機鼓風在電感附近造成湍流氣流強化散熱。
基于上述熱耗分析,確定強制風冷總熱耗Wtot=600 W,估計進出風口溫升△T≈14℃,由工程經(jīng)驗可得系統(tǒng)所需有效風量為:
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的軸流風機對此系統(tǒng)進行冷卻,假定此風機工作在效率最大點:靜壓85 Pa,風量45 CFM。評估此系統(tǒng)至少需兩臺風機并聯(lián)。通過系統(tǒng)仿真分析、篩選,此方案中5個功率模塊共用一塊散熱器,上下機殼開孔率及進出風口開孔率均為60%。基于Flotherm軟件仿真,對照圖1中功率元器件編號,5個ICBT模塊殼溫由A~E依次為82.5 ℃,84.8 ℃,86.6 ℃,92.7℃,93.8 ℃;7個電抗器編號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)控點溫度隨迭代步數(shù)的收斂變化趨勢。7個電抗器處于右側(cè)兩個風機鼓風造成的湍流區(qū)域中,其冷卻效果得到強化。
IGBT模塊中集成的IGBT芯片、二極管芯片和場效應管的結(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。
由于評估的IGBT模塊集成技術(shù)、內(nèi)部布局為廠家機密文件,因此很難準確得到模塊內(nèi)每個芯片的準確熱耗、結(jié)溫、殼溫及空間坐標。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)計同規(guī)格模塊中仿真溫度最大的值,且降額設(shè)計殼溫參考國軍標Ⅱ級降額標準,系數(shù)0.8)。可見,IGBT模塊A~E的殼溫均未超過設(shè)定的降額殼溫,且有適當余量。電感Lin,Lout,L1~L7殼溫均遠低于降額設(shè)計溫度,散熱設(shè)計冗余,均可長期安全可靠工作。
3 實驗
在某地區(qū)實驗溫度為60℃的高溫箱內(nèi),對樣機進行滿載熱測試,數(shù)據(jù)如表3所示。
通過對比表2,3可見,實測殼溫均低于仿真值??紤]海拔對空氣換熱系數(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℃。對比表2,3,加入海拔修正后,仿真殼溫與實測修正后的殼溫最高僅差4.9℃,驗證了基于Flotherm軟件分析的電力電子設(shè)備散熱設(shè)計的優(yōu)勢和可靠度。
4 結(jié)論
對于電力電子設(shè)備的散熱設(shè)計問題,采用基于Flotherm分析的散熱設(shè)計方法能較準確評估實際工況中的溫度、
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