引言

隨著半導體器件及控制技術的高速發(fā)展,新型半導體器件絕緣柵雙極晶體管(InsulatedGateBipolarTransistor,IGBT)在電力電子裝置中獲得了廣泛的運用。如柔性直流輸電技術采用的換流元件是既可以控制導通又可以控制關斷的雙向可控電力電子器件,其典型代表是IGBT。IGBT在開關工作中要消耗大量的能量,這部分能量會轉化為熱能,使IGBT的溫度升高。美國空軍航空電子完整計劃曾對所有芯片的失效原因做過分析,如IGBT等功率器件以及電子設備55%的失效原因是溫度過高。所以,就必須利用熱傳遞特性對功率器件采用合適的冷卻技術,對它們的溫升進行控制,從而保證電力電子裝置或系統(tǒng)正常、可靠地工作。

目前,電力電子裝置中常用的散熱方式為自然冷卻、強迫風冷、強迫水冷、油冷等四種。強迫風冷的散熱效果是自然風冷的5~10倍,油冷或水冷的散熱效果是自然冷卻的120~150倍。風冷比水冷有著結構簡單、實現(xiàn)容易等優(yōu)點,但系統(tǒng)龐大并且風機噪聲較大:水冷系統(tǒng)散熱效率最高,并且沒有油冷帶來的污染問題。所以,綜合噪聲和體積,本裝置采用水冷的散熱形式。

1水冷散熱器的設計

1.1散熱原理

熱量傳遞主要包含三種方式:導熱、對流和輻射換熱。一般來說,電力電子裝置的散熱方式通常伴隨兩種或三種方式一起進行,如水冷散熱系統(tǒng),就包含了導熱和對流兩個過程。功率器件通過導熱將熱量傳導到散熱器上,熱量通過散熱器被冷卻液帶走。水冷系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

熱傳導是指同一介質或不同介質間由于溫差產生的傳熱現(xiàn)象。熱傳導的表達式為:

式中,Q為熱傳導換熱量(w):入為材料的導熱系數[w/(m2·℃)]:A為垂直于導熱方向的截面積(m2):d1/d%為沿等溫面法線方向的溫度梯度:負號表示熱量傳遞的方向與溫度梯度相反。

對流換熱是指由于流體的宏觀運動而引起流體各部分之間發(fā)生相對位移,冷、熱流體相互摻混所導致的熱量傳遞過程。用牛頓冷卻公式表達如下:

式中,Q為對流換熱量(w):hc為對流換熱系數[w/(m2·℃)]:A為壁面的有效對流換熱面積(m2):1w為固體表面的溫度(℃):1f為冷卻流體的溫度(℃)。

1.2水冷散熱器的流量計算

在水冷系統(tǒng)中,冷卻液流量是重要的指標之一。根據對流換熱表達式,在發(fā)熱量不變的情況下,流量越大,對流換熱系數hc越大,功率器件的表面溫度越低,散熱效果越好。但流量并不能無限制地增大,因為整個系統(tǒng)的壓力是隨流量的指數形式成正比增加,所以水冷系統(tǒng)的壓力限制了流量的取值上限。冷卻液流量的大小取決于發(fā)熱器件的功率以及冷卻液的進出口溫升,由下列方程式來決定:

式中,Qv為流量(L/s):P為功率器件的熱損耗(w):Cp為冷卻液的比熱[kJ/(kg·℃)]:y為冷卻液的密度(kg/m3):A1為冷卻液的溫升(℃)。

取循環(huán)冷卻液的進、出口溫度差為A1=8℃,冷卻液為純水。25℃時水的比熱容Cp=4.186kJ/(kg·℃),y=996kg/m3,水冷散熱器功率器件總損耗為1.5kw。根據上式計算可得Qv=2.7L/min。上述計算未考慮輻射換熱。

1.3水冷散熱器的結構設計

本裝置采用模塊化級聯(lián)式設計,每個機柜中放置若干個水冷功率單元,結構緊湊。每個水冷功率單元中放置一個水冷散熱器,水冷散熱器的長、寬、高分別為475mm×180mm×30mm,進出水口在水冷散熱器的同側,間隔300mm。主要發(fā)熱器件為IGBT模塊以及均壓電阻。水冷散熱器正面放置兩個IGBT模塊(型號為FF600R17ME4),背面布置兩個均壓電阻。IGBT模塊放置于水冷散熱器的中央,兩個IGBT模塊之間的間隔為70mm。水冷散熱器的流道為串聯(lián)S型流道,水路只有一條主通路,但在每個IGBT基板下的水道中設置了8條分流道，用來增加流速,減小此處的溫升。水冷散熱器的結構布局與水道的結構如圖2所示。

(a)水冷散熱器的結構布局圖(b)水道的結構模型圖2散熱器的結構布局圖以及仿真計算模型

1.4仿真參數的設置

水冷功率單元中,主要發(fā)熱器件為1GBT模塊以及均壓電

阻。1GBT模塊的損耗來源于內部的1GBT芯片和二極管芯片的損耗。每個1GBT模塊的損耗約為710w,每個均壓電阻的損耗為40w。仿真邊界條件設置如下:將整個水冷散熱器以及功率器件作為整個模擬區(qū)域。水冷散熱器的外形尺寸為475mm×180mm×30mm,水冷散熱器材質為鋁,冷卻介質為純水,環(huán)境溫度設為40℃,進水溫度為45℃。進水流量設置為3L/min。為了減少仿真的計算量,加快仿真速度,在保證精度的前提下,要對仿真模型進行合理地優(yōu)化。本次仿真忽略了1GBT驅動板等發(fā)熱功率較小的器件,忽略了1GBT模塊和電阻等安裝孔以及輻射換熱的熱量。

2熱仿真計算與分析

根據1.4中的邊界條件,對水冷散熱器進行熱仿真模擬,得到進水流量為3L/min時,水冷散熱器表面的最大溫升為29℃,溫度云圖以及流體速度云圖如圖3、圖4所示。從圖3可以看出,水冷散熱器表面最大溫升點在靠近出水口處的第二個1GBT處。兩個1GBT的均溫性比較一般,有3℃左右的溫度差。由圖4的速度云圖可以看出,在1GBT下方的分流道中流速不均,并沒有達到預期的效果。

圖3進水流量為3L/min時水冷散熱器溫度云圖

圖4進水流量為3L/min時水冷散熱器速度云圖

下面對水冷散熱器進行優(yōu)化,從增加進水流量以及增加擾流柱兩個方面進行仿真優(yōu)化。在仿真的過程中,其他邊界條件保持不變。

2.1增加進水流量對水冷散熱器的影響

在邊界條件保持不變的情況下,增加水冷散熱器進水流量分別至6L/min、9L/min、12L/min及15L/min時,得到水冷散熱器最大溫升以及壓降,并對比之前3L/min的仿真結果,如圖5所示。從圖5的仿真數據來看,當進水流量增大時,水冷散熱器表面的溫升在不斷降低,但壓降也在不斷增大。當流量增加到9L/min以后,溫升的下降趨勢變緩。然而隨著流量的增大,壓降卻一直呈現(xiàn)指數形式增長。壓降的增大對循環(huán)泵乃至整個水冷系統(tǒng)都是額外的消耗,同時也會增加冷卻液泄漏的風險。所以進水流量并不是越大越好,需要綜合考慮,在一定范圍內,選取最優(yōu)值。

圖5水冷散熱器表面溫升以及壓降隨流量變化圖

流量為9L/min時,水冷散熱器溫度云圖如圖6所示。

2.2增加擾流柱對水冷散熱器的影響

分別設計圓形和菱形兩種擾流柱,用來增加擾流以及增加散熱器內流道流速,提高水冷散熱器的散熱效果。兩種擾流柱的水道結構圖如圖7所示,分別對兩種水道結構在不同的流量下進行仿真模擬。得到溫升以及壓降的結果與之前無擾流柱的方案進行對比,結果如圖8所示。從圖8可以看出,加上擾流柱后,水冷散熱器的表面溫升以及壓降隨流量的變化趨勢與不加擾流柱的趨勢基本一致。加了擾流柱后,由于加強了擾流效果以及增加了流速,所以溫升較之前有所下降,其中圓形擾流柱的方案溫升較低,菱形擾流柱方案溫升稍高,但兩者相差不大。與之相對比,添加擾流柱后,壓降均比之前有所提高,其中圓形較高,菱形低些。通過對添加擾流柱的水冷散熱器的仿真模擬,綜合溫升和壓降,最后確定水冷散熱器的方案為添加菱形擾流柱。

流量為9L/min時,添加擾流柱的水冷散熱器溫度云圖如圖9所示。

3結語

通過對水冷散熱器的熱仿真分析,研究了增加進水流量對水冷散熱器性能的影響。隨著進水流量的增加,水冷散熱器的表面溫升下降。當流量增加到一定值后,溫升下降的趨勢變緩。但是,流量增加時,壓降也呈現(xiàn)指數形式的增加。所以進水流量并不是越大越好,需要綜合考慮溫升和壓降,選定合理的取值。

根據仿真模擬,研究了添加兩種擾流柱對水冷散熱器表面溫升以及壓降的影響趨勢,并與不加擾流柱的方案進行對比。添加擾流柱后,溫升及壓降的變化趨勢與不加擾流柱的趨勢基本一致。其中,菱形擾流柱方案的溫升與圓形擾流柱方案相似,但壓降比圓形擾流柱方案小,所以最終方案為添加菱形擾流柱。