曹碧穎 楊建波

（上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院，上海 200000）

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針對大功率電子器件的散熱仿真

曹碧穎 楊建波

（上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院，上海 200000）

摘 要：隨著熱仿真軟件的功能逐漸強(qiáng)化，散熱設(shè)計可采用熱仿真軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及優(yōu)化，從而提高了設(shè)計效率,也縮減了開發(fā)周期及成本。這里介紹通過熱仿真軟件而對介于微網(wǎng)與大電網(wǎng)之間的切換保護(hù)開關(guān)進(jìn)行散熱設(shè)計的方法。

關(guān)鍵詞：大功率 電子器件 散熱設(shè)計 熱仿真

1 引言

微電網(wǎng)是一個接有分布式電源的配電子系統(tǒng)。它猶如一個預(yù)先設(shè)計好的孤島，可在主網(wǎng)脫離后孤立正常運行，并維持所有或部分重要用電設(shè)備的供電。開發(fā)和延伸微電網(wǎng)能夠充分促進(jìn)分布式電源與可再生能源的大規(guī)模接入，實現(xiàn)對負(fù)荷多種能源形式的高可靠供給，是實現(xiàn)主動式配電網(wǎng)的一種有效方式。

隨著整個電力系統(tǒng)逐步向智能電網(wǎng)的方向發(fā)展，實現(xiàn)微電網(wǎng)與大電網(wǎng)的快速、有效分?jǐn)嗟那袚Q與保護(hù)開關(guān)正越來越受到關(guān)注。通常，可采用接觸器配合斷路器或者功率半導(dǎo)體器件（如晶閘管SCR）配合斷路來實現(xiàn)。接觸器或SCR實現(xiàn)切換控制的功能，斷路器實現(xiàn)短路分?jǐn)嗟墓δ?。由于接觸器和斷路器都屬于機(jī)械式開關(guān)，因此動作速度較慢，且拉弧易造成觸頭的損傷，影響機(jī)械式開關(guān)的使用壽命?；诠β拾雽?dǎo)體器件的切換開關(guān)（通常稱為固態(tài)開關(guān)）能夠?qū)崿F(xiàn)快速分?jǐn)?，但其通態(tài)壓降高導(dǎo)致通態(tài)損耗大。為了解決這個問題，對大功率器件的散熱設(shè)計提出了較高要求。而良好的散熱無疑是保證大功率電子器件可靠工作的前提。

由于整個切換及保護(hù)開關(guān)將置于電氣柜內(nèi)，因此其在空間尺寸上有較高的要求。而強(qiáng)迫對流風(fēng)冷比液冷可減小空氣冷卻系統(tǒng)的尺寸，且在可靠性、易于維修保養(yǎng)以及成本上都占據(jù)絕對優(yōu)勢,所以這里采用強(qiáng)迫風(fēng)冷的冷卻方式。

2 強(qiáng)迫風(fēng)冷的散熱設(shè)計

2.1 選擇散熱器

首先，確定熱功耗。要綜合考慮設(shè)備結(jié)構(gòu)、體積、重量、成本、加工工藝等因素，初步確定散熱器結(jié)構(gòu)。散熱器按照材料可分為鑄鐵散熱器、鋼制散熱器、銅制散熱器、鋁制散熱器。鋁型材的散熱器散熱性能、耐氧化腐蝕性以及成本比起其他幾類散熱器均較出色，故這里選用鋁制散熱器，尺寸如圖1所示。

圖1 散熱器截面尺寸

根據(jù)IGBT的尺寸設(shè)計初步布局，如圖2、圖3所示。明顯地，安裝風(fēng)扇有利于冷卻氣流散熱的流向?？v向排布后會導(dǎo)致帶著熱量的熱氣流流動路程過長，導(dǎo)致熱量積聚，不利于散熱，故采用了圖2中的橫向排布。

圖2 IGBT橫向排布布局

圖3 IGBT縱向排布布局

2.2 確定熱功耗，選擇風(fēng)機(jī)

第二步，結(jié)合發(fā)熱量，根據(jù)熱平衡方程，初步確定風(fēng)機(jī)。

在此套切換和保護(hù)開關(guān)中，使用到6只IGBT，每只IGBT的熱功耗P=1.5VGE×IC=195W。所有，總發(fā)熱功耗為1.17kW。

根據(jù)熱平衡方程

式中：L為冷卻空氣流量（m3/s）；Q為設(shè)備發(fā)熱量（kW）；為空氣的密度（kg/m3）；Cp為空氣的比熱（kJ/（kg℃）；t0為冷卻空氣出口溫度（℃）；ti為冷卻空氣入口溫度（℃）。

由于軸流風(fēng)扇普遍風(fēng)量大，風(fēng)壓小，對結(jié)構(gòu)設(shè)計要求較低，價格便宜，故這里選擇軸流風(fēng)扇，具體的參數(shù)情況見表1。因為存在風(fēng)阻，故風(fēng)機(jī)不可能工作在最大風(fēng)量處。所以，風(fēng)機(jī)的工作點風(fēng)量小于風(fēng)機(jī)的最大風(fēng)量。根據(jù)實驗及產(chǎn)品的使用情況，一般按照1.5～2倍的裕量選擇風(fēng)扇的最大風(fēng)量。根據(jù)2L值8.244m3/min，初步確定風(fēng)機(jī)的型號，其特性曲線如圖4所示。

表1 風(fēng)扇參數(shù)表

圖4 風(fēng)機(jī)特性曲線

2.3 確定散熱器、風(fēng)扇的安裝位置

用風(fēng)扇冷卻電子設(shè)備時，冷卻氣流的方向可能相當(dāng)重要。風(fēng)扇用于把空氣抽出或送進(jìn)機(jī)箱。送風(fēng)系統(tǒng)通過升高機(jī)箱內(nèi)部的氣壓，把帶有灰塵和雜質(zhì)的氣體排出密封不良的機(jī)箱。這種改變機(jī)箱內(nèi)的熱傳遞特點，也會造成一些輕微的問題。在采用軸流式風(fēng)扇的進(jìn)氣系統(tǒng)中，由于空氣受迫通過熱的風(fēng)扇馬達(dá)，從而產(chǎn)生電子機(jī)箱入口熱空氣。

抽風(fēng)系統(tǒng)將空氣抽出機(jī)箱，從而降低機(jī)箱內(nèi)部的氣壓。如果未經(jīng)密封的機(jī)箱放置在灰塵和雜質(zhì)較多的地方，且機(jī)箱不密封，那么灰塵和雜質(zhì)會通過各式各樣的小氣隙被抽進(jìn)機(jī)箱。在抽風(fēng)系統(tǒng)中，冷卻空氣通過軸流式風(fēng)扇帶走機(jī)箱的空氣。因此，進(jìn)入機(jī)箱的冷卻空氣更冷，且能得到較好的氣流分布。故這里選擇抽風(fēng)的冷卻方式，將風(fēng)扇置于散熱器的上方，并不緊貼散熱器。

2.4 通過熱仿真優(yōu)化散熱設(shè)計

這里選用的是FLOTHERM熱仿真軟件。它由英國FLOMERICS軟件公司開發(fā)并廣為大量電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師和電子電路設(shè)計工程師使用。通過仿真軟件進(jìn)行熱設(shè)計優(yōu)化，既能顯著降低成本，又能避免由于器件過熱而可能發(fā)生的危險。FLOTHERM熱仿真軟件被廣泛應(yīng)用于電子系統(tǒng)散熱仿真分析，采用成熟的CFD（Computational Fluid Dynamic，計算流體動力學(xué)）和數(shù)值傳熱學(xué)仿真技術(shù)，并成功結(jié)合FLOMERICS公司在電子設(shè)備傳熱方面的大量獨特經(jīng)驗和數(shù)據(jù)庫開發(fā)而成。

仿真的對象是主要的散熱系統(tǒng)，包括散熱器、風(fēng)道、風(fēng)扇以及發(fā)熱元件。在初始環(huán)境設(shè)置時，將環(huán)境最惡劣的、最高環(huán)境溫度設(shè)置為55℃，流體與固體對流換熱的傳熱系數(shù)設(shè)置為5W/（m2·K），此系數(shù)是模擬空氣環(huán)境的情況。在熱仿真軟件中，初始環(huán)境設(shè)置如圖5所示。

圖5 初始環(huán)境設(shè)置

由于IGBT模塊的集成技術(shù)、內(nèi)部布局復(fù)雜，所以很難準(zhǔn)確得到模塊內(nèi)各部分的準(zhǔn)確熱耗。但是，由于模塊集成度較高，且熱源在模塊內(nèi)分布較均勻，所以在此仿真中可運用均勻體積熱源等效實際熱源，并設(shè)置其發(fā)熱量以及底部銅面的熱傳導(dǎo)率。另外，可按照實際情況對散熱器、風(fēng)道以及風(fēng)扇進(jìn)行建模，如圖6所示。

圖6 散熱系統(tǒng)模型

從圖7可以看出，溫度最高處是在IGBT表面，且最高溫度達(dá)到113℃。

圖7 散熱系統(tǒng)仿真結(jié)果

從圖8可以看出，出風(fēng)口空氣溫度約為60℃，且由功率器件產(chǎn)生的熱功耗從散熱器逐漸傳遞開，并通過環(huán)境中的冷空氣向上吹散帶走?？梢?，整個散熱設(shè)計的仿真結(jié)果滿足了“出風(fēng)口空氣溫度在70℃以內(nèi)”的條件。

圖8 散熱系統(tǒng)截面溫度布局圖

圖9 散熱系統(tǒng)溫度布局右視圖

如圖9中所示，外殼的最高溫度約為55℃。圖10中所示，散熱器表面最高溫度約為80℃，溫度最高處約升高了25℃。散熱器上的IGBT模塊熱量由下方傳至上方，并且橫向上IGBT模塊熱量向四周傳遞，散熱器中間位置聚集了自身的發(fā)熱量以及位于兩側(cè)的模塊的熱量，故溫度最高點位于中上方。

3 結(jié)論

圖10 散熱器前表面溫度布局圖

通過FLOTHERM仿真軟件，可以對產(chǎn)品實際運行中的溫度、流速、風(fēng)機(jī)工作情況進(jìn)行評估，避免了熱風(fēng)險且縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)過程中的成本，優(yōu)化熱設(shè)計的方案，從而確定合理的散熱設(shè)計方案。此外，它還能夠大大減小設(shè)計人員的工作量，提高熱設(shè)計效果和工作效率，是一種良好的熱設(shè)計手段。

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Thermal Simulation Analysis of High Power Electronic Device

CAO Biying，YANG Jianbo
(Shanghai Electric Group Co.,Ltd.Ce ntral Academe,Shanghai 200000)

Abstract:With the strengthening of the thermal si mulation software，data could be analyz ed, and thermal des ign could be optimized by it. Des ign efficiency would be enhanced, and the cost would be reduced. The way of thermal design to the switch of Micro-grid and large power grid is introduced here.

Key words:high power electronic device,therm al des ign,thermal simulation analysis