基于Icepak的MW級(jí)大功率變流器熱設(shè)計(jì)

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（國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京 210061）

近年來(lái)隨著大功率傳動(dòng)和新能源的高速發(fā)展，用于能量變換的變流器容量越來(lái)越大，功率密度越來(lái)越高。在大功率變流器設(shè)計(jì)中，常用的冷卻方式一般為強(qiáng)迫風(fēng)冷和液體冷卻，液體冷卻的散熱效果更好。但液體冷卻結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)難度較大，成本高，可靠性比風(fēng)冷低。因此，本文所設(shè)計(jì)大功率變流器采用強(qiáng)迫風(fēng)冷進(jìn)行散熱。

本文針對(duì)MW級(jí)大功率變流器進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了仿真分析和試驗(yàn)，通過(guò)風(fēng)機(jī)和散熱器參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提高了大功率變流器的散熱效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性。

1 主電路損耗分析

分析與計(jì)算功率器件損耗是散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前提。對(duì)MW級(jí)大功率變流器而言，功率單元的設(shè)計(jì)一般以橋臂為單元進(jìn)行，即每個(gè)散熱器上安裝一個(gè)橋臂的主功率元件。通常情況下，IGBT模塊一般包括IGBT和并聯(lián)二極管，IGBT和并聯(lián)二極管的損耗均包括通態(tài)損耗和開(kāi)關(guān)損耗。

在正弦脈寬調(diào)制模式下，考慮溫度和死區(qū)時(shí)間對(duì)IGBT和二極管通態(tài)損耗的影響，IGBT的通態(tài)損耗有［1］：

并聯(lián)二極管的通態(tài)損耗有：

其中

式中：td為死區(qū)時(shí)間；Ts為開(kāi)關(guān)周期；M為調(diào)制比；φ為電流與電壓的相角；rCE，VCEO分別為IGBT正向?qū)娮韬颓孀‰妷?；rD，VDO分別為二極管通態(tài)電阻和門(mén)檻電壓；rCE_25°C，rD_25°C分別為IGBT和二極管25 ℃時(shí)的額定通態(tài)電阻；VCE_25°C，VD_25°C分別為IGBT和二極管25℃時(shí)的額定導(dǎo)通壓降；Tj1，Tj2分別為IGBT和二極管的實(shí)際結(jié)溫；Kr_Tr為溫度對(duì)IGBT通態(tài)電阻影響的溫度系數(shù)；Kr_D為溫度對(duì)二極管通態(tài)電阻影響的溫度系數(shù)；KV_Tr為溫度對(duì)IGBT導(dǎo)通壓降影響的溫度系數(shù)；KV_D為溫度對(duì)二極管導(dǎo)通壓降影響的溫度系數(shù)。

IGBT開(kāi)通和關(guān)斷損耗隨電流iC的變化規(guī)律是非線性的，較難定量描述。經(jīng)驗(yàn)表明，考慮溫度、電壓、電流等對(duì)開(kāi)關(guān)損耗的影響，將開(kāi)通和關(guān)斷損耗按線性化折算，可以滿足工程設(shè)計(jì)的需要。

開(kāi)關(guān)損耗的計(jì)算公式如下［1］：

式中：fsw為載波頻率；Eon，Eoff分別為IGBT額定狀態(tài)下的單脈沖開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗；Err為快恢復(fù)二極管額定狀態(tài)下的單脈沖關(guān)斷損耗，快恢復(fù)二極管開(kāi)通損耗較小，可以忽略；Vref，Iref分別為IGBT模塊參考電壓、參考電流；VDC為橋臂電壓；KSWTr_I為電流幅值對(duì)IGBT開(kāi)關(guān)損耗影響的電流系數(shù)；KSWTr_V為橋臂電壓對(duì)IGBT開(kāi)關(guān)損耗影響的電壓系數(shù)；KSWD_I為電流幅值對(duì)二極管開(kāi)關(guān)損耗影響的電流系數(shù)；KSWD_V為橋臂電壓對(duì)二極管開(kāi)關(guān)損耗影響的電壓系數(shù)；KSWTr_T為溫度對(duì)IGBT開(kāi)關(guān)損耗影響的溫度系數(shù)；KSWD_T為溫度對(duì)二極管開(kāi)關(guān)損耗影響的溫度系數(shù)。

通態(tài)損耗和開(kāi)關(guān)損耗之和即為功率器件的功率損耗，由式（1）～式（4）計(jì)算可得IGBT模塊的功率損耗，計(jì)算中的一些系數(shù)可通過(guò)試驗(yàn)和器件手冊(cè)獲得。以此為基礎(chǔ)可以進(jìn)行系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)和熱仿真。

2 熱流路徑分析

在強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)中，熱量從IGBT芯片到散熱環(huán)境有以下幾個(gè)傳導(dǎo)過(guò)程：1）芯片到IGBT外殼；2）IGBT外殼到散熱器；3）散熱器到環(huán)境。在系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)中，IGBT模塊的熱應(yīng)力參數(shù)主要有結(jié)溫和熱阻。IGBT和二極管的最高允許結(jié)溫一般會(huì)在廠家的器件手冊(cè)中給出。加裝散熱器的IGBT模塊散熱熱阻主要由3部分組成：RthJC,I，RthCH,I，RthHA。其熱阻等效電路如圖1所示。

圖1 熱阻等效模型Fig.1 Equivalent circuit of thermal resistance

根據(jù)以上分析，由傳熱學(xué)基本原理可知，IGBT模塊中IGBT芯片結(jié)溫TJ，I和二極管芯片結(jié)溫TJ,D為［2-3］

式中：RthJC,I為IGBT結(jié)殼間熱阻；RthCH,I為IGBT殼與散熱器間熱阻；RthJC,D為二極管結(jié)殼間熱阻；RthCH,D為二極管殼與散熱器間熱阻；RthHA為散熱器與周圍環(huán)境間熱阻；TA為環(huán)境溫度。

為確保TJ,I和TJ,D不超過(guò)最高允許結(jié)溫，變流器系統(tǒng)需要進(jìn)行合理的散熱設(shè)計(jì)，既保證功率器件不超過(guò)最大結(jié)溫，又盡量減小散熱器面積和風(fēng)機(jī)容量，從而在滿足散熱要求的同時(shí)，又達(dá)到降低成本、減小風(fēng)機(jī)噪聲、提高效率的目的。

3 散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)傳熱學(xué)原理，強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱滿足方程［4］：

式中：Q為單位時(shí)間內(nèi)由散熱器傳遞到環(huán)境的熱量；a為對(duì)流換熱系數(shù)；A為散熱器與空氣接觸的面積；Ts為散熱器表面的平均溫度；Ta為環(huán)境溫度。

散熱器熱阻表達(dá)式為

比較式（7）和式（8）可知：

式（9）說(shuō)明對(duì)流換熱系數(shù)a和換熱面積A越大，熱阻越小，散熱效果越好。由此可見(jiàn)，散熱面積越大的散熱器散熱越好，風(fēng)機(jī)流量越大（環(huán)流系數(shù)越大）散熱越好。因此，散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要從以下幾個(gè)方面考慮：1）加大散熱器尺寸，增加散熱器散熱面積A；2）采用尺寸更大或風(fēng)速更好的風(fēng)機(jī)，提高風(fēng)機(jī)流速，以增大換熱系數(shù)a；3）設(shè)計(jì)合理的風(fēng)道，減小風(fēng)的損耗，提高散熱效率。

但過(guò)大的散熱器和更大容量的風(fēng)機(jī)則意味著更高成本、更大損耗、高噪聲、更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)等，因此，散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)以滿足散熱要求、低成本、低損耗為依據(jù)。

3.1 風(fēng)機(jī)選型

在系統(tǒng)額定功率運(yùn)行情況下，假定風(fēng)機(jī)入口溫度為T(mén)in，經(jīng)過(guò)散熱器后出口溫度為T(mén)out，則根據(jù)傳熱學(xué)原理，分別乘以可靠性系數(shù)和過(guò)載系數(shù)可得滿足散熱系統(tǒng)散熱要求的風(fēng)機(jī)流速為

式中：Q為散熱器上發(fā)熱器件的總熱耗散功率；σ為空氣密度；L為風(fēng)機(jī)流速，m3/s；Cp為空氣的比熱容。

風(fēng)機(jī)特性曲線見(jiàn)圖2。

圖2 風(fēng)機(jī)特性曲線Fig.2 Fan characteristic curves

風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓可以根據(jù)散熱器的結(jié)構(gòu)和熱阻大小，結(jié)合實(shí)際工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)確定，由此根據(jù)風(fēng)量和風(fēng)壓確定風(fēng)機(jī)的型號(hào)。

3.2 散熱器的設(shè)計(jì)

散熱器的設(shè)計(jì)要綜合考慮設(shè)備的結(jié)構(gòu)要求、成本、風(fēng)壓、散熱效率、加工工藝等條件。在散熱器外形尺寸一定時(shí)，肋片間距越小則熱阻越小，但間距過(guò)小會(huì)增大風(fēng)阻，反而會(huì)影響散熱。增大肋片高度可增大散熱面積，也就是可增大散熱量。但對(duì)于等截直肋，肋片高度增加到一定程度后，傳熱量就不再增加了，若再繼續(xù)增加肋高，則會(huì)導(dǎo)致肋片效率急劇下降，所以在設(shè)計(jì)等截直肋時(shí)，一般要求m0H＜2（m0為肋片組合參數(shù)，H為肋高）。

當(dāng)散熱器采用如上強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱時(shí)，散熱器的熱阻可以被估算［2］：

式中：K為散熱器熱導(dǎo)率，散熱器表面黑處理，熱阻比光亮的散熱器熱阻可減少10%～15%；d為散熱器基板厚度；A為散熱器有效散熱面積；C1為安裝狀態(tài)系數(shù)，垂直安裝取0.5；C2為強(qiáng)迫風(fēng)冷時(shí)散熱器相對(duì)熱阻系數(shù)；C3為空氣換熱系數(shù)。

3.3 風(fēng)道設(shè)計(jì)

風(fēng)道設(shè)計(jì)的基本原則是：1）要引導(dǎo)氣流沖擊散熱器的散熱表面，增強(qiáng)熱交換；2）要減少風(fēng)道的風(fēng)阻，以防止氣流的壓力損失過(guò)大；3）風(fēng)道出口要保證熱氣流能夠順利排出。

根據(jù)以上原則，設(shè)計(jì)MW級(jí)大功率變流器功率單元結(jié)構(gòu)如圖3所示，風(fēng)道自下而上，風(fēng)經(jīng)過(guò)散熱器肋片后從模塊上端出風(fēng)口排出。

圖3 風(fēng)道設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Design structure of air-duct

4 熱仿真

Icepak是專業(yè)的電子設(shè)備熱分析及熱仿真軟件。應(yīng)用Icepak軟件進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，可大大減少計(jì)算量，縮短研制周期，降低開(kāi)發(fā)成本。使用Icepak軟件對(duì)實(shí)際的工程問(wèn)題進(jìn)行熱分析的主要步驟包括建立模型、加載初始條件、網(wǎng)格生成、檢查氣流、求解計(jì)算、檢查分析結(jié)果等。

4.1 模型建立

可以在Icepak軟件中建模，同時(shí)Icepak軟件也可以導(dǎo)入其他一些設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)（SOLIDworks等）的三維和二維模型，但導(dǎo)入后需要將模型優(yōu)化和簡(jiǎn)化，以便加快仿真速度和優(yōu)化仿真結(jié)果。

本設(shè)計(jì)中，散熱器由1個(gè)13.5 mm厚的基板和45個(gè)2 mm肋片組成，所建立模型見(jiàn)圖4，包括2個(gè)熱源，1個(gè)基板，45個(gè)肋片，1個(gè)風(fēng)扇，1個(gè)出風(fēng)口。

圖4 所建立模型Fig.4 The established model

4.2 參數(shù)設(shè)置

在建立模型的同時(shí)，在相應(yīng)的參數(shù)面板中加載初始條件和邊界條件，完成風(fēng)機(jī)的基本參數(shù)、IGBT模塊損耗、散熱器材料參數(shù)、環(huán)境溫度等參數(shù)的設(shè)置。如圖5所示為風(fēng)機(jī)參數(shù)設(shè)置結(jié)果。

圖5 風(fēng)機(jī)參數(shù)設(shè)置結(jié)果Fig.5 The setting results of fan parameter

4.3 網(wǎng)格的劃分

網(wǎng)格劃分的目的是將復(fù)雜模型分解為計(jì)算機(jī)可以利用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行計(jì)算的單元，這個(gè)單元就是有限元。劃分過(guò)程即為模型建立有限元模型的過(guò)程。網(wǎng)格的劃分形式對(duì)計(jì)算的精度和計(jì)算規(guī)模將產(chǎn)生直接的影響，本設(shè)計(jì)采用先粗化后細(xì)化的方式來(lái)劃分，使網(wǎng)格更為精確。網(wǎng)格劃分圖見(jiàn)圖6。

圖6 網(wǎng)格劃分圖Fig.6 Meshing figure

4.4 氣流檢查

氣流檢查主要是檢查氣流的雷諾系數(shù)，根據(jù)雷諾系數(shù)的值來(lái)確定使用的流動(dòng)方程。雷諾系數(shù)為

式中：v，ρ，η分別為流體的流速、密度與黏性。

雷諾數(shù)小，意味著流體流動(dòng)時(shí)各質(zhì)點(diǎn)間的黏性力占主要地位，流體各質(zhì)點(diǎn)平行于管路內(nèi)壁有規(guī)則地流動(dòng)，呈層流流動(dòng)狀態(tài)。雷諾數(shù)大，意味著慣性力占主要地位，流體呈湍流流動(dòng)狀態(tài)，一般管道雷諾數(shù)Re<2 000為層流狀態(tài)，Re>4 000為湍流狀態(tài)，Re=2 000～4 000為過(guò)渡狀態(tài)。

4.5 求解計(jì)算

Icepak使用迭代法進(jìn)行求解計(jì)算，設(shè)置完迭代次數(shù)，開(kāi)始進(jìn)行求解，當(dāng)殘差收斂曲線完全收斂時(shí)，計(jì)算完成。求解過(guò)程殘差曲線見(jiàn)圖7。

圖7 求解過(guò)程殘差曲線圖Fig.7 The residuals plot of solving process

4.6 檢查結(jié)果

Icepak軟件計(jì)算的結(jié)果可以通過(guò)視圖來(lái)顯示。如圖8仿真結(jié)果顯示，散熱器表面溫度最高點(diǎn)位于IGBT下方中心位置，且離出風(fēng)口位置較近，環(huán)境溫度為45℃時(shí)，散熱器最高溫度為86.5℃，滿足設(shè)計(jì)需求。

圖8 仿真結(jié)果Fig.8 The simulation results

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

本文所設(shè)計(jì)的大功率變流器容量為1 MW，相關(guān)參數(shù)如下：直流電壓Vdc=1100 V，交流輸出電壓690V，輸出電流837A，開(kāi)關(guān)頻率fs=2.5 kHz。根據(jù)以上要求，選用FF1400R17IP4作為系統(tǒng)主電路的開(kāi)關(guān)器件，其額定電壓1 700 V，額定電流1 400 A。設(shè)計(jì)中采用2個(gè)IGBT模塊直接并聯(lián)放在1個(gè)散熱器上組成1個(gè)功率單元作為一相橋臂，三相橋臂直流側(cè)并聯(lián)實(shí)現(xiàn)1 MW，如果需要更高功率等級(jí)則可通過(guò)更多橋臂并聯(lián)實(shí)現(xiàn)。

依據(jù)以上所述設(shè)計(jì)方法完成MW級(jí)大功率變流器的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。實(shí)際試驗(yàn)中，對(duì)所設(shè)計(jì)的大功率變流器進(jìn)行背靠背全功率試驗(yàn)，輸出電流為847 A，環(huán)境溫度為22℃左右，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，通過(guò)溫度傳感器測(cè)量散熱器表面溫升為43℃左右，溫升曲線如圖9所示。由此可以看出實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算仿真結(jié)果較為吻合，符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，且有一定的裕度。

圖9 溫升曲線Fig.9 Temperature curve

6 結(jié)論

本文針對(duì)MW級(jí)大功率變流器的散熱系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，給出了IGBT模塊的損耗計(jì)算公式，分析了散熱系統(tǒng)的熱傳導(dǎo)路徑，可以通過(guò)不同傳導(dǎo)點(diǎn)的熱阻計(jì)算各點(diǎn)的實(shí)際溫度，詳細(xì)介紹了散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)的計(jì)算分析方法，通過(guò)風(fēng)機(jī)、散熱器和散熱通道的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以有效提高變流器的效率、降低成本和系統(tǒng)噪聲，最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的仿真分析和實(shí)際試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，MW級(jí)大功率變流器的散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，仿真分析有效提高了設(shè)計(jì)效率。

［1］胡建輝，李錦庚，鄒繼斌，等.變頻器中的IGBT模塊損耗計(jì)算及散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2009，24（3）：159-163.

［2］杜毅，廖美英.逆變器中IGBT模塊的損耗計(jì)算及其散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，2011，33（1）：42-46.

［3］丁杰.機(jī)車變流裝置中電力電子器件散熱器的熱設(shè)計(jì)［J］.變流技術(shù)與電力牽引，2007（3）：26-31.

［4］楊旭，馬靜，張新武，等.電力電子裝置強(qiáng)制風(fēng)冷散熱方式的研究［J］.電力電子技術(shù)，2000，8（4）：36-38.

［5］言艷毛.電動(dòng)汽車逆變器用散熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.變流技術(shù)與電力牽引，2008（4）：42-45.