大功率電力電子器件相變冷卻技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究*

馬本棟，胡書舉，王玲玲，國建鴻

（中國科學(xué)院電工研究所，北京100190）

0 引 言

大功率電力電子裝置作為電力設(shè)備電能轉(zhuǎn)換和電路控制的關(guān)鍵部件，被廣泛應(yīng)用于高壓直流輸電、風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電的變頻設(shè)備。IGBT作為其核心器件，工作過程中頻繁通、斷，產(chǎn)生大量的熱損耗，而IGBT本身有結(jié)溫要求，結(jié)溫影響器件使用壽命甚至直接損壞，降低了設(shè)備安全可靠性；隨著設(shè)備向模塊化、集成化、高頻化、小型化的方向發(fā)展，解決IGBT的散熱問題直接決定設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性［1-5］。目前廣泛應(yīng)用的冷卻方式主要包括：自然風(fēng)冷、強(qiáng)迫風(fēng)冷、水冷等，雖然一定程度上解決了散熱問題，但仍存在各自的不足，自然風(fēng)冷的散熱效率低，很難滿足電力電子設(shè)備高散熱效率的要求。強(qiáng)迫風(fēng)冷較自然風(fēng)冷的散熱效率大大提高，但其冷卻過程中風(fēng)扇的噪聲大，可靠性低，給設(shè)備運(yùn)行維護(hù)帶來困難。，從散熱的角度來說，水冷是非常理想的，但是水循環(huán)系統(tǒng)工藝要求高，安裝復(fù)雜，維護(hù)工作量大，而且一旦漏水，會(huì)帶來安全隱患［6-8］。上述冷卻方式各有利弊，本文基于冷卻介質(zhì)相變吸熱能力強(qiáng)的原則，采用相變冷卻技術(shù)解決大功率電力電子設(shè)備的散熱問題［9-12］，已有相變冷卻技術(shù)的文獻(xiàn)，大多集中在相變介質(zhì)性質(zhì)［13］、相變冷卻系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性［14-15］等方面，忽略發(fā)生相變的散熱器（冷板）結(jié)構(gòu)對(duì)設(shè)備散熱能力的影響，基于上述原因，設(shè)計(jì)兩類冷板（含有強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)冷板和非強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)冷板），針對(duì)高壓直流輸電換流閥、變頻器熱損耗問題，研究對(duì)相變冷卻系統(tǒng)散熱效率的影響，為解決大功率電力電子器件的散熱提供指導(dǎo)。

1 理論分析

1.1 IGBT相變冷卻系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)

如圖1為IGBT相變冷卻系統(tǒng)原理圖，主要包括兩大部分：冷凝器和冷板。其中，功率器件通過壁掛的方式安裝在冷板上，工作過程中產(chǎn)生的熱量通過壁面?zhèn)鬟f給冷板內(nèi)部的冷卻介質(zhì)，冷卻介質(zhì)由液化蒸發(fā)氣化帶走熱量，氣化的冷卻介質(zhì)經(jīng)過出氣管進(jìn)入冷凝器，與冷凝器中的冷卻水進(jìn)行二次換熱，將冷卻介質(zhì)液化，再通過管路返回冷板，繼續(xù)進(jìn)行下一步的換熱過程，以上描述為圖1相變冷卻技術(shù)自循環(huán)的全過程。

圖1 相變冷卻系統(tǒng)Fig.1 System for phase-change cooling

冷板的換熱效率直接影響IGBT的結(jié)溫，為提高冷板換熱效率，本文對(duì)兩種不同結(jié)構(gòu)的冷板進(jìn)行了換熱效率研究，設(shè)計(jì)的兩種結(jié)構(gòu)的冷板：冷板1、冷板2（兩個(gè)冷板的外部尺寸一致，內(nèi)部增加強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)不同）分別作為圖1相變冷卻系統(tǒng)冷板進(jìn)行試驗(yàn)，其中冷板1含有強(qiáng)化換熱翅片結(jié)構(gòu)，冷板2為非強(qiáng)化換熱翅片，在相同功耗條件下，通過測(cè)定兩種結(jié)構(gòu)條件下冷卻系統(tǒng)冷板溫度變化、流量、壓力等，為高冷卻效率冷板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。

1.2 冷板換熱系數(shù)理論計(jì)算

相變冷卻技術(shù)采用相變換熱原理，冷卻介質(zhì)與IGBT發(fā)熱面接觸，吸收IGBT產(chǎn)生的熱量后相變汽化，帶著熱量，單位面積液體相變吸收的熱量大于常規(guī)的空氣、水冷方式的比熱容所交換的熱能。根據(jù)相變冷卻的工作原理，提高相變的沸騰換熱系數(shù)，可以更有效得帶走發(fā)熱部件的熱量，使發(fā)熱部件的表面溫升更低，因此采用經(jīng)典的chen氏兩相傳熱關(guān)系分析IGBT在相變冷卻條件下的溫度分布。chen氏兩相傳熱關(guān)系式如下：

式中s0為沸騰抑止因子，分別為：

強(qiáng)制對(duì)流傳熱系數(shù)可按Dittus-Boelter式計(jì)算，即：

泡核沸騰傳熱系數(shù)由Forster-Zuber關(guān)系式計(jì)算，即：

式中Re為雷諾系數(shù)；pr為臨界壓力；D為介質(zhì)流通管道直徑；k為導(dǎo)熱系數(shù)；ρ為介質(zhì)密度；μ為介質(zhì)黏度系數(shù)；x為含氣率。

由此可見，流速、通道寬度、含氣率等對(duì)換熱能力很大的影響。因此，有必要對(duì)相變冷卻發(fā)生器（冷板）的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、通道寬度等進(jìn)行深入研究，為優(yōu)化冷板結(jié)構(gòu)提供指導(dǎo)。

2 溫度場仿真分析

采用Ansys有限元熱分析功能對(duì)相變冷卻系統(tǒng)中冷板結(jié)構(gòu)工作過程進(jìn)行仿真，建模過程中，忽略熱輻射等因素，簡化建模、網(wǎng)格劃分，結(jié)果見圖2～圖4。

2.1 條件設(shè)定

仿真的計(jì)算過程包括如下幾個(gè)步驟：邊界條件加載、載荷施加和運(yùn)算結(jié)果分析。為了完成仿真運(yùn)算，對(duì)實(shí)際的冷板裝置進(jìn)行假設(shè)：（1）功率器件產(chǎn)生的損耗通過冷板內(nèi)部介質(zhì)帶走，忽略由于周圍空氣對(duì)流帶走熱量，仿真中將冷板與周圍空氣接觸面設(shè)定為絕熱面；（2）冷板內(nèi)部介質(zhì)溫度均勻分布，冷板壁面與介質(zhì)的對(duì)流換熱系數(shù)相同；（3）功率模塊的表面溫度分布均勻。

圖2 冷板1網(wǎng)格劃分圖Fig.2 Meshing graph of cold plate 1

圖3 冷板2網(wǎng)格劃分結(jié)果Fig.3 Meshing graph of cold plate 2

圖4 3 000W冷板1溫度分布圖Fig.4 Temperature distribution graph of cold plate 1 under P＝3 000W

2.2 仿真結(jié)果分析

圖2、圖3分別為冷板1、冷板2對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格劃分結(jié)果，采用Thermal solid單元中Quad 4node 55單元類型，采用2.1所示邊界條件分別對(duì)冷板結(jié)構(gòu)的散熱性能進(jìn)行仿真，當(dāng)冷板網(wǎng)格數(shù)N達(dá)到105量級(jí)后，增加網(wǎng)格數(shù)目對(duì)仿真結(jié)果增加值小于3%，認(rèn)為網(wǎng)格數(shù)已經(jīng)達(dá)到計(jì)算精確度，最終冷板1、冷板2的網(wǎng)格數(shù)分別為18 632、15 200。沸騰換熱系數(shù)計(jì)算關(guān)系式作為邊界條件通過編程帶入Ansys仿真結(jié)果如圖4～圖7所示。其中，圖4、圖5分別對(duì)應(yīng)冷板在損耗功率3 000W條件下溫度場仿真結(jié)果（損耗功率指IGBT工作過程中，因器件散熱造成的功率損失），圖6、圖7分別對(duì)應(yīng)冷板在4 000 W條件下溫度場仿真結(jié)果，從以上圖中可得：（1）冷板表面溫度比較均勻，接近于介質(zhì)的沸騰溫度，證明介質(zhì)通過沸騰換熱將液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，帶走加熱模塊的熱量，測(cè)試點(diǎn)（位于從左向右第4塊功率模塊正上方5 mm處）位置溫度都保持在60℃左右，滿足器件的工作溫度要求；（2）其它條件不變情況下，增加加熱模塊的功率，冷板的溫度均有不同程度增加，溫度分布均勻；（3）對(duì)比冷板在相同條件下溫度場結(jié)果，冷板1在3 000 W和4 000W條件下的最高溫度均低于冷板2對(duì)應(yīng)功率條件的最高溫度，且對(duì)應(yīng)功率條件下，冷板1的溫度分布更加均勻，證明不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)冷板的散熱能力有一定影響，冷板1內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)于冷板2。

圖5 3 000W冷板2溫度分布圖Fig.5 Temperature distribution graph of cold plate 2 under P＝3 000 W

圖6 4 000W冷板1溫度分布圖Fig.6 Temperature distribution graph of cold plate 1 under P＝4 000 W

圖7 4 000W冷板2溫度分布圖Fig.7 Temperature distribution graph of cold plate 2 under P＝4 000 W

3 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

為了驗(yàn)證不同冷板內(nèi)部結(jié)構(gòu)散熱能力的影響，采用相同的實(shí)驗(yàn)條件對(duì)分別對(duì)冷板1、冷板2進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，打開冷凝器二次冷卻設(shè)備，并向電力電子器件通電，模擬器件工作條件下的功率損耗值，通過調(diào)壓器調(diào)節(jié)電壓，實(shí)現(xiàn)熱功率損耗的變化，從2 500 W起，以500 W為單位進(jìn)行變化至4 500 W（其中該設(shè)備正常的工作熱功率損耗為3 000 W、4 500 W為過負(fù)荷條件下器件的極限熱損耗功率），采用采集儀記錄下每次的溫度、壓力及功率值，重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)避免誤差。

采用熱電偶溫度傳感器測(cè)得冷板不同位置的溫度情況，測(cè)溫點(diǎn)具體位置分布為：（1）每個(gè)電力電子器件下布置一個(gè)熱電偶溫度傳感器，監(jiān)測(cè)器件的溫度，共有六個(gè)測(cè)溫點(diǎn)；（2）電力電子器件2上部冷板的溫度傳感器，為器件運(yùn)行時(shí)IGBT常規(guī)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)；（3）壓力表布置，在冷板出氣管、回液管及冷凝器上端布置壓力傳感器，目的是監(jiān)測(cè)冷板內(nèi)部及冷凝器內(nèi)部壓力變化情況。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

圖8所示的數(shù)據(jù)分別為冷板1、冷板2常規(guī)測(cè)溫點(diǎn)在不同熱損耗功率條件下溫度變化情況，其中■代表冷板1，◆代表冷板2，表示在不同功率條件下溫度變化情況。隨著變流裝置損耗功率的增大，冷板測(cè)溫點(diǎn)溫度不斷上升，當(dāng)功率總損耗達(dá)到4 500W時(shí)（變流器最大過負(fù)荷設(shè)計(jì)值），功率模塊與冷板接觸面的中心溫度達(dá)到最大，冷板1最高溫度為78℃，冷板2的最高溫度為72℃，低于功率器件所要求的最高殼體溫度。相同功率條件下，冷板1測(cè)溫點(diǎn)溫度低于冷板2測(cè)溫點(diǎn)溫度，證明相同條件下，冷板1的散熱效果優(yōu)于冷板2。對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)，可得：冷板1在3 000 W、4 000 W功率條件下，測(cè)溫點(diǎn)溫度分別為56.6℃（圖8）、62.9℃（圖8），對(duì)應(yīng)仿真結(jié)果分別為55℃（圖3）、62℃（圖4），誤差率分別為2.8%、1.4%，冷板 2在 3 000 W、4 000 W功率條件下，溫度分別為58.7℃（圖8）、65℃（圖8），對(duì)應(yīng)仿真結(jié)果分別為57℃（圖3）、68℃（圖4），誤差率分別為2.9%、4.6%，最大絕對(duì)誤差為3℃，表明理論分析方法的正確性。

為了更進(jìn)一步研究不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)的冷板對(duì)功率模塊散熱能力的影響，選取常規(guī)測(cè)溫點(diǎn)及電力電子器件下的溫升進(jìn)行分析，其中圖9為兩個(gè)冷板常規(guī)測(cè)溫點(diǎn)的溫升變化情況，圖10為功率模塊下溫升變化情況，其中■代表冷板1，◆代表冷板2。由兩幅圖可得：

圖8 兩個(gè)測(cè)溫點(diǎn)溫度與損耗功率關(guān)系Fig.8 Temperature change versus loss power for the twomeasuring temperature points

圖9 測(cè)溫點(diǎn)溫升與功率損耗關(guān)系ig.9 Temperature rise versus loss power for the twomeasuring temperature points

圖10 IGBT溫升與功率損耗關(guān)系Fig.10 Temperature rise versus loss power for the IGBT

（1）隨著損耗功率的不斷增加，兩圖中溫升不斷增大，且最大溫升對(duì)應(yīng)熱損耗為4 500 W的功率，與圖8不同功率條件下溫度變化情況基本一致，符合相變冷卻技術(shù)的一般規(guī)律；

（2）比較兩圖可得，當(dāng)熱損耗功率低于3 500 W時(shí)（變流器一組IGBT功耗設(shè)計(jì)值，溫升基本保持在一個(gè)穩(wěn)定的范圍內(nèi)，冷板的工作狀態(tài)良好，當(dāng)熱損耗功率超過4 000W后，溫升變化突然增大，造成該結(jié)果的原因?yàn)樵O(shè)備在該功率條件下循環(huán)回路的阻力超過設(shè)計(jì)值，出現(xiàn)間歇性環(huán)狀流液膜干涸問題；

（3）對(duì)比圖9、圖10，同等條件下冷板1的溫升低于冷板2，模塊下溫升變化更加明顯，冷板1內(nèi)部與冷卻介質(zhì)接觸的面積更大，散熱效率更高，符合熱力交換的原理；

（4）對(duì)比風(fēng)冷［16］水冷在電力電子器件冷卻方面的數(shù)據(jù)結(jié)果，相同功率條件下，相變冷卻與風(fēng)冷、水冷的效果基本一致，且相變冷卻方式的散熱效率更高、且自循環(huán)滿足經(jīng)濟(jì)性方面要求。對(duì)比冷板的工作狀況，證明該裝置的散熱效果仍有一定的優(yōu)化空間，為了進(jìn)一步提高該裝置的穩(wěn)定性，可通過對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化、回液管的直徑增大等優(yōu)化該冷卻裝置，為更高要求的變流器冷卻裝置設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

4 結(jié)束語

分別完成兩種結(jié)構(gòu)的冷板系統(tǒng)試驗(yàn)，結(jié)果如下：

（1）器件表面最高溫度都低于器件的結(jié)溫，可見本實(shí)驗(yàn)裝置及采用的介質(zhì)都可用于大功率電力電子變頻設(shè)備中；

（2）對(duì)比兩種冷板結(jié)構(gòu)的測(cè)溫點(diǎn)溫度變化情況，冷板1冷卻效果優(yōu)于冷板2的，究其原因，相對(duì)于冷板2，冷板1的強(qiáng)化換熱翅片有效的散熱面積更大一些，散熱效率更高；

（3）Ansys有限元軟件仿真對(duì)冷板1進(jìn)行三維建模，仿真該結(jié)構(gòu)的溫度變化情況，證明仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的一致性。