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[導讀]摘要:以小功率光伏逆變器的散熱設(shè)計為例,首先提出了Flotherm軟件仿真的基本思想和基本理論,介紹了散熱器優(yōu)化設(shè)計和整機系統(tǒng)熱仿真分析,包括多方案篩選優(yōu)化。通過計算流體動力學(CFD)數(shù)值仿真,與工程樣機實測數(shù)據(jù)

摘要:以小功率光伏逆變器的散熱設(shè)計為例,首先提出了Flotherm軟件仿真的基本思想和基本理論,介紹了散熱器優(yōu)化設(shè)計和整機系統(tǒng)熱仿真分析,包括多方案篩選優(yōu)化。通過計算流體動力學(CFD)數(shù)值仿真,與工程樣機實測數(shù)據(jù)進行對比,分析評估完全滿足工程設(shè)計要求,達到了產(chǎn)品可靠性設(shè)計的目的。同時介紹了海拔對散熱的影響和修正,較好地驗證了基于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。
關(guān)鍵詞:逆變器;熱分析;熱阻;結(jié)溫

1 引言
    小功率光伏逆變器是小型電力電子設(shè)備的典型代表,IGBT模塊作為逆變器的核心器件,在運行過程中會產(chǎn)生大量的熱,約有1%~1.5%的有功功率轉(zhuǎn)化為熱能,這部分熱量會使其內(nèi)部集成的功率器件管芯發(fā)熱、結(jié)溫升高。若不能及時、有效地將此熱量釋放,就會降低系統(tǒng)可靠性,甚至損壞器件。在電力電子產(chǎn)品小型化趨勢下,IGBT模塊在有限空間的散熱設(shè)計成為小型光伏逆變器散熱設(shè)計的核心,同時系統(tǒng)方案還要兼顧熱敏感器件的溫升,這就需對散熱方案進行全方位評估。
    這里通過Flotherm軟件對小功率光伏逆變器進行系統(tǒng)級熱分析和多方案篩選,對比仿真數(shù)據(jù)與工程樣機實測數(shù)據(jù),驗證了基于Flotherm分析的電力電子設(shè)備散熱設(shè)計的可行性與可靠度。

2 仿真原理與方案設(shè)計
    Flotherm是一款強大的三維CFD軟件,CFD的仿真軟件基本思想是將原來在時間域和空間域上連續(xù)的物理量的場,用有限個離散點上的變量值集合來代替,通過一定原則建立起關(guān)于這些離散點上場變量間關(guān)系的代數(shù)方程組,進行求解后獲得場變量的近似值。熱設(shè)計問題本質(zhì)在于定量描述熱現(xiàn)象,小功率電力電子設(shè)備的散熱設(shè)計可通過湍流模型描述。CFD仿真基本理論為:小型電子電子設(shè)備的散熱設(shè)計屬于不可壓縮、常物性、無內(nèi)熱源的三維對流傳熱問題,結(jié)合傳熱學和流體動力學基本理論,得出描述該問題的微分方程組。
    質(zhì)量守恒方程為:
   
    式中:u,v,w是速度矢量V在直角坐標系x,y,z方向上的分量;μ為流體的粘性系數(shù);p為流體微團所在處的靜壓力;Fx,F(xiàn)y,F(xiàn)z是體積力在x,y,z方向上的分量;
    能量守恒方程為:
   
    式中:λ為流體的導熱系數(shù);cp為流體的定壓比熱容。
    動量守恒、質(zhì)量守恒方程是描寫粘性流體過程的控制方程,適用于不可壓縮粘性流體的層流及湍流流動。
    Flotherm軟件中的Command Center模塊采用了多目標優(yōu)化算法,是一種在多個變量參數(shù)中確定最佳方案的途徑。為避免優(yōu)化設(shè)計中出現(xiàn)局部最優(yōu)代替全局最優(yōu),軟件引入了代價函數(shù):
    f=W1R1+W2R2+KWNRN      (4)
    式中:W為代價權(quán)重;R為目標輸出變量。
    輸入變量通常為一定范圍內(nèi)的離散或連續(xù)值,由這些數(shù)據(jù)可形成數(shù)量可觀的輸入變量組合,每一個輸入變量組合對應(yīng)一個實驗。IGBT散熱器優(yōu)化方案就是通過Command Center模塊實現(xiàn)的。
    以上介紹了Flotherm的仿真原理,對于一個實際換熱問題,借助Flotherm實現(xiàn)仿真的前提是獲取物理模型參數(shù),例如模型外形尺寸、關(guān)鍵器件尺寸、熱耗分布、接觸熱阻、材料屬性等。
    對小功率光伏逆變器的物理模型參數(shù)做如下說明:①邊界條件:環(huán)境溫度60℃,標準大氣壓,氣流狀態(tài)為紊流,系統(tǒng)求解域定義為箱體體積的36倍。系統(tǒng)求解的迭代次數(shù)設(shè)為500次;②主要尺寸參數(shù):機箱幾何尺寸750x540x380 mm,IGBT模塊熱源尺寸31.5x68.4×10 am,電抗器尺寸71x71x25 mm;③材料參數(shù):本系統(tǒng)共涉及5種材料Steel(Mild),Copper(Pure),Aluminum-6061,Silicon Carbide(Typical),Ty pical Chip Array;其結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。主要由直流輸入模塊、升壓模塊、逆變模塊和交流輸出模塊組成。主要熱耗點為分布于圖1所示的升壓和逆變PCB下端的A,B,C,D,E 5個IGBT模塊及位于機箱背部編號為1~7的7個電感。箱體中各單板或模塊上所有功耗器件的型號、熱耗、最大殼溫等參數(shù)如表1所示。


    根據(jù)箱體預留散熱器空間大小,確定散熱器空間最大尺寸為450x200x90 mm。散熱器功率P=600 W,根據(jù)工程經(jīng)驗,基板厚度a=7lg-6,a最小值為2mm。P=600 W時,a=13.447mm,取a=14mm。根據(jù)風速初步估計,選取肋間距為6 mm。依據(jù)散熱器空間高度尺寸及a,選取肋高為50 mm?;鍖挾?00 mm,肋片厚度取4 mm,可估算肋片數(shù)為20。散熱器材質(zhì)為Aluminum-6061,導熱系數(shù)為180 W/(m·K)。
    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(yīng)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)??梢?,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、速度、壓力場分布及風機工作點,從而幫助設(shè)計人員快速確定最佳設(shè)計方案。此外,運用Flotherm熱分析手段進行多方案篩選并確定的最優(yōu)方案能有效指導產(chǎn)品熱設(shè)計,前期規(guī)避熱風險,提高產(chǎn)品可靠性和市場競爭力,同時可以縮短研發(fā)周期,降低開發(fā)成本,有效解決實驗研究中開發(fā)周期長,成本高的問題。

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