強迫風冷功率模塊的散熱研究

常州博瑞電力自動化設備有限公司 張海龍 劉博嘉 徐國良 姚 寧 周力民

從IGBT損耗、散熱器、風機選型等幾個方面詳細介紹了儲能變流器功率模塊的散熱設計。通過仿真軟件建立仿真模型，對功率模塊的散熱通風過程進行仿真分析，根據(jù)功率模塊的溫度場和流場評估熱設計的準確性，最后通過對比不同風機的仿真數(shù)據(jù)驗證了功率模塊風機選型的合理性，對后續(xù)功率模塊的散熱設計提供指導建議。

近年來，由于工業(yè)發(fā)展及人民生活水平的不斷提高，導致用電量的持續(xù)增加，使的電網(wǎng)負荷日益加重。隨著國家“雙碳”目標的打響，新能源的開發(fā)利用步入新的階段，其中儲能系統(tǒng)作為電力生產(chǎn)過程中“采-發(fā)-輸-配-用-儲”六大環(huán)節(jié)中一個重要組成部分，其市場迅速增長。儲能變流器作為儲能系統(tǒng)中的關鍵設備，通過交流、直流的雙向轉(zhuǎn)換實現(xiàn)能量的存儲和釋放。其中儲能變流器的功率模塊作為儲能變流器的核心組件，采用IGBT模塊能有效減小器件損耗，提高變流器轉(zhuǎn)換效率。儲能變流器要求能夠在惡劣的工況下長期運行，對儲能變流器產(chǎn)品的可靠性要求是一個巨大的挑戰(zhàn)。

伴隨著電力電子技術的高速發(fā)展，電力電子設備不斷向小型化、密集化發(fā)展，由于散熱能力不足而導致電力電子設備出現(xiàn)故障的情況時有發(fā)生。如果熱量不能及時散發(fā)出去，造成熱量的集聚，從而使電力電子元器件產(chǎn)生故障，影響其工作穩(wěn)定性甚至縮短使用壽命。據(jù)估計，電子元器件的環(huán)境溫度每升高10℃，其可靠性會減半。因此，電力電子設備所處環(huán)境的溫度控制，成為設備穩(wěn)定可靠運行的關鍵要素。

隨著有限元分析的發(fā)展，采用數(shù)值模擬的方式對具體產(chǎn)品進行熱分析已成為熱設計的重要方式之一。散熱仿真優(yōu)化分析軟件在航空航天、醫(yī)療器械、機車牽引、電力電子、消費電子產(chǎn)品、電氣、半導體等行業(yè)有著廣泛的應用，且其散熱仿真結果的準確性也得到試驗驗證。

本文以某種儲能變流器功率模塊為研究對象，在確定散熱器材料、基板厚度、翅片高度、翅片厚度、翅片間距的情況下，通過仿真對比不同風機的散熱效果，其結果對儲能變流器模塊的散熱設計具備一定的指導意義。

1 散熱系統(tǒng)設計

1.1 電子熱設計理論

電力電子設備的熱設計主要采用合適可靠的方法來控制產(chǎn)品內(nèi)元器件的溫度，使其在所處的工作環(huán)境溫度下運行時，溫度不超過規(guī)定的最高溫度，這就要求電力電子設備產(chǎn)品要具有良好的熱可靠性。

溫度是影響元器件可靠性的一個重要因素，研究表明近55%的電子器件失效是由于溫度相關的因素導致的，散熱設計已成為電子電子設備性能分析中不可或缺的一部分?；陔娏﹄娮悠骷膶嶋H發(fā)展情況，對散熱方面的不斷深入研究，應用較為普遍的散熱方法有風冷、液冷、熱電制冷、熱管制冷等。根據(jù)相關研究可知，液冷換熱系數(shù)更高、效果更佳，風冷則成本相對較低，對此在散熱設計過程中需結合實際運行工況選擇合理的散熱方式。

1.2 功率模塊損耗

儲能變流器的功率器件為IGBT模塊，IGBT模塊損耗主要包括IGBT和FWD的導通損耗和開關損耗。在產(chǎn)品開發(fā)過程中，IGBT模塊的熱損耗數(shù)據(jù)來源于廠商提供的模擬仿真數(shù)據(jù)。功率模塊總發(fā)熱量為2700W，IGBT最高允許的穩(wěn)定工作的結溫為115℃。每個功率模塊單獨配1個散熱器。

1.3 散熱器設計

IGBT模塊的熱量先通過熱傳導將散熱器基板進行加熱，之后熱量由基板傳導至散熱器翅片，最后通過對流將翅片上的熱量帶走。在結構及生產(chǎn)工藝允許的情況下，翅片應盡可能的薄，同時要控制合理的翅片間距，翅片過密散熱量會增大，同樣也會導致的風阻增大，對風機的抗壓損能力要求較高。

結合功率模塊的外形尺寸要求、IGBT模塊損耗、散熱效率以及散熱器廠家的生產(chǎn)工藝確定散熱器的規(guī)格參數(shù)，見表1所示。

表1 散熱器參數(shù)

1.4 風機選型

在產(chǎn)品開發(fā)過程中，根據(jù)產(chǎn)品實際熱損耗進行風量計算、風機選型，合適的風機對設備的長期穩(wěn)定運行是至關重要的。散熱器所需風量L可根據(jù)熱平衡方程計算得出，然后根據(jù)散熱器所需風量進行散熱風機選型。

圖1 風機1溫度場

圖2 風機2溫度場

圖3 風機3溫度場

式中L為所需氣體流量，單位m3/s；Q為功率模塊的總熱損耗，單位kW；ρ為氣體密度，單位kg/m3，Cp為氣體比熱，單位J/(kg.℃)；Δt為進風出風的溫差，單位℃。

環(huán)境溫度40℃時，空氣比熱容為1.005kJ/(kg.℃)，密度為1.128kg/m3，根據(jù)上式計算其風量值：L=2.7/(1.128h1.0058h15)≈0.16m3/s，取1.2的安全系數(shù)，得出單個功率模塊的風量為0.19m3/s。

結合計算出的風量數(shù)據(jù)，要求風機風量不小于0.19m3/s，同時具備一定的余壓。初步選型三款風機，分別命名為風機1、風機2、風機3。通過仿真進行對比分析，選擇合適的風機作為最終選型使用。

2 儲能變流器熱功率模塊仿真分析

2.1 仿真建模

儲能變流器功率模塊的仿真模型參數(shù)設置如下：（1）環(huán)境溫度：40℃；（2）海拔1000m；（3）設置選用紊流狀態(tài)計算公式，系統(tǒng)求解迭代計算步數(shù)為5000；（4）單個功率模塊損耗為2.7kW，風冷散熱器材質(zhì)為AL，在散熱器表面設置面熱源，輸入功率模塊實際工作條件下的損耗值。

IGBT模塊的熱損耗為功率功率模塊中的主要熱源，為方便仿真計算，對功率模型進行簡化，忽略對熱設計影響較小的元器件。并根據(jù)實際風機的選型，輸入相應風機的P-Q曲線作為變量對比，仿真參數(shù)設置見表2所示。

表2 邊界條件

2.2 溫度場分布

通過仿真，可以清晰的對比出使用不同風機時散熱器的溫升及通過散熱器的流量。

2.3 報告及分析

通過仿真軟件的后處理讀取3種風機的風量、工作點、散熱器溫升，見表3所示，可以得出以下結論：

（1）在使用散熱器結構外形一致的的情況下，不同風機實際流量：風機1＜風機2＜風機3，風機1流量不滿足系統(tǒng)最小流量要求，風機2、風機3風量滿足使用要求。

（2）風機1工作點位于風機曲線末端，處于不合理的區(qū)間，風機2、風機3工作點位于風機曲線中間段，位于合理的工作區(qū)間。

（3）在當前散熱器結構的仿真系統(tǒng)中，風機1應用后，散熱器溫升超40K，風機2、風機3應用后，散熱器溫升小于40K。不同風機的溫升值如表3所示。

表3 不同風機的溫升值

本文通過理論計算得出功率模塊散熱所需最低風量，根據(jù)風量完成3款風機選型。在功率模塊散熱器結構保持不變的情況下，從風量、壓損、散熱器溫升對3款風機的散熱能力進行對比。仿真結果直觀的體現(xiàn)出不同風機的在當前系統(tǒng)中的散熱能力，可以用于指導風機選型及散熱器的優(yōu)化設計工作。