陳衛(wèi)紅，焦道海，蔣永和

(常州佳訊光電產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，江蘇 常州　213022)

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典型溫度控制在大功率逆變器熱分析中的應用

陳衛(wèi)紅，焦道海，蔣永和

(常州佳訊光電產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，江蘇 常州213022)

摘要：以大功率逆變器為例子，根據(jù)損耗器件自身特點和后期樣機現(xiàn)有老化測試條件，尋找最能體現(xiàn)各損耗器件熱性能的典型溫度點。在產(chǎn)品研發(fā)前期階段，利用Icepak熱分析軟件對逆變器整機方案進行熱分析，并對各個損耗器件的典型溫度進行控制；在后期樣機老化測試階段，對相應的典型溫度進行測試，并采用忽略背景溫度輻射影響的溫升對比方法對熱分析的精確性進行評估。通過產(chǎn)品研發(fā)階段對典型溫度的控制，在不增加老化測試設備成本的基礎上使得熱分析結(jié)果具備合理性，從而提高了整機熱分析精度。

關鍵詞：逆變器整機熱分析；典型溫度控制；誤差分析

隨著逆變器單機功率的增大，IGBT逆變模塊、電抗器等主要器件的熱損耗也在不斷增大，通風散熱的重要性也凸顯出來[1-2]。目前，針對高功率電子機柜的散熱分析多局限于IGBT模塊及其散熱器[2-8]，整機熱分析多存在于小功率機型中[1,9--10]。本文以IGBT模塊散熱為重點，兼顧電抗器散熱、風道設計、風機選型，進行逆變器整機熱分析。與一般的電子產(chǎn)品相比，大功率逆變器的整機熱分析也有其特點，如整機外形較大、零部件較多、器件損耗很難給出定值、散熱系統(tǒng)復雜等等，這些都使得熱分析的精確性很難掌控。在后期樣機的老化測試時，實驗條件也很難達到完全與熱分析設定條件相一致，這使得對熱分析精確性的評估無法進行。忽略不同環(huán)境溫度下輻射不同的影響，本文采取溫升對比方法，由多年多機型熱分析結(jié)果和樣機老化數(shù)據(jù)之間的對比分析經(jīng)驗，總結(jié)出了一套根據(jù)損耗器件自身特點和樣機老化條件尋找最能體現(xiàn)器件熱性能的典型溫度點的方法。通過對典型溫度點最高溫度的控制，整機熱分析精度大為提高，其中逆變器屏幕溫度的分析誤差小于5%。

1分析模型

1.1三維模型

整機由兩個機柜組成，主要包括三個1 200 V、1 400 A的IGBT模塊、一個額定電感為0.35 mH的三相濾波電抗器、多個濾波膜電容等眾多器件。根據(jù)散熱要求，為每個IGBT模塊配備一個鋁制型材散熱器和一個蝸殼離心風機，該風機設計風量為560 m3/h?？紤]到電抗器、銅排、電容等的散熱需要以及逆變模塊的進風要求，整機風道系統(tǒng)共設有8個0.25m×0.25m、流通率為0.75的雙層柵格進風口，交流柜頂部設有一個設計風量為850 m3/h的軸流風機。

因整機模型復雜，權(quán)衡計算機硬件、熱分析時間和精度，將逆變器三維模型進行簡化，模型中的線纜、銅排、螺釘、小電阻電容等較小器件和螺絲孔、倒角等細節(jié)進行簡化處理，簡化后的模型見圖1。

圖1　簡化后的逆變器三維模型圖

1.2計算模型

熱分析采用以Fluent為求解器的針對電子散熱的Icepak熱分析軟件。根據(jù)本文特點，選取穩(wěn)態(tài)求解，控制方程基于以下假設：(1)氣流為不可壓縮流體，密度穩(wěn)定不變，柜內(nèi)流態(tài)均為湍流；(2)根據(jù)設計要求，環(huán)境溫度假定為50℃；(3)由于放置逆變器的逆變器室中裝有抽風風機，假定機柜外表面的對流換熱系數(shù)為10 W/(M2·K)[11]。湍流方程根據(jù)以往其他機型的計算經(jīng)驗，選擇收斂性較好、計算量較小的一方程Spalart-Allmaras湍流模型。

模擬計算時，參與計算的主要控制方程[12]如下：

(1)

(2)

(3)

式中i，j——u和x的下標，可取值為1,2,3，表示3個空間坐標；u——速度矢量；ρ——密度；p——壓力；g——重力加速度；Cv——氣體比定容熱容；T——溫度；λ——導熱系數(shù)；S——體積熱源。

2熱分析

2.1網(wǎng)格劃分

為減少網(wǎng)格數(shù)量、保證網(wǎng)格質(zhì)量，在三維模型內(nèi)部建立多個assembly。每個assembly內(nèi)單獨進行網(wǎng)格劃分。整體網(wǎng)格類型為Mesher-HD，assembly內(nèi)網(wǎng)格有Mesher-HD、Hexa unstructured兩種，網(wǎng)格單元總數(shù)為1761453。

2.2條件設定

重點關注的是正常運行時損耗較大、溫度較高的逆變模塊和電抗器模塊，主要熱分析條件如下：

(1)環(huán)境溫度：按本逆變器使用的最高環(huán)境溫度50℃設置。

(2)IGBT損耗：對于IGBT模塊，損耗按面熱源處理，加在IGBT模塊底板和散熱器接觸面上。IGBT損耗數(shù)值由廠方提供的損耗仿真軟件計算得出損耗730 W/個。

(3)電抗器損耗：1 620 W(數(shù)值由廠方出廠檢驗報告給出)，按體熱源處理。

(4)風機：性能曲線按廠方選型手冊給出。

2.3典型溫度點選取

IGBT模塊：該模塊價格相對較高、對溫度敏感，過溫對器件自身和整機轉(zhuǎn)換效率都影響較大，因此要嚴格控制其結(jié)溫。由于逆變器工作時結(jié)溫不能直接測到，所以選擇和結(jié)溫有聯(lián)系的屏幕溫度作為IGBT模塊的典型溫度。熱分析時把對結(jié)溫的設計要求轉(zhuǎn)化為對典型溫度的設計要求，本文結(jié)溫的設計要求為小于140℃，由廠方提供的產(chǎn)品資料，計算得相應的屏幕溫度應小于129℃。

電抗器：一般情況下，電抗器運行過程中鐵芯柱和線圈內(nèi)部表面間溫度最高，對其性能影響也最大，但老化時由于操作不便無法對預測的高溫點進行布點測試。由以往機型的經(jīng)驗來看，能夠測試到的高溫出現(xiàn)在鐵芯柱和線圈相鄰的部位，所以選其作為典型溫度點。電抗器絕緣等級H級，設計要求最高溫小于150℃。根據(jù)以往機型內(nèi)部埋點和典型溫度點附近的測試經(jīng)驗以及熱分析數(shù)據(jù)，典型溫度與內(nèi)部最高溫度相差10～20℃。本文選擇保守設計，典型溫度要小于120℃。

2.4分析結(jié)果

本機中，與關注重點對應，這里只給出熱逆變模塊和電抗器模塊的熱分析結(jié)果。由于IGBT模塊損耗以面熱源形式加載在其獨立散熱器的相應位置，所以直接熱分析結(jié)果為其散熱器溫度場及該區(qū)域流場情況。IGBT結(jié)溫的計算基于散熱器底板IGBT模塊下方最高溫度和廠家所給產(chǎn)品熱租資料。結(jié)溫計算公式為：

Tj=Ths+P′×(Rjc+Pch)

(4)

式中Tj——結(jié)溫；Ths——散熱器底板最高溫度；P′——單個IGBT模塊功耗；Rjc——結(jié)殼熱阻；Rch——殼到散熱器底板熱阻。

圖2所示既為環(huán)境溫度50℃，逆變器運行穩(wěn)定時的IGBT散熱器表面溫度場。由于散熱器底部進風，所以溫度呈現(xiàn)出下低上高的情況，最高溫度出現(xiàn)在IGBT模塊下方中間偏上的位置，溫度約為81.6℃。根據(jù)公式和廠方產(chǎn)品資料，計算得對應結(jié)溫為102.6℃，符合設計要求。由該器件內(nèi)置溫度傳感器和結(jié)溫的關系，計算得對應屏幕溫度約為91.6℃，屏幕溫升約41.6 K，即典型溫度溫升41.6 K。

圖2　IGBT散熱器表面溫度場

該逆變器正常穩(wěn)定運行時，電抗器是機柜內(nèi)部溫度最高的器件。圖3所示為整機主要損耗部件表面溫度場，其中電抗器最高溫度124.4℃，最高溫度出現(xiàn)在中間一個鐵芯柱上，典型溫度點附近的溫度在100～110℃(既溫升50～60 K)，線圈外表面溫度大部分處在70～80℃(既溫升20～30 K)。熱像儀所拍攝的圖像顯示，電抗器鐵芯溫度高于線圈溫度，鐵芯柱溫度高于鐵軛溫度。熱分析結(jié)果的溫度趨勢和熱像儀拍攝結(jié)果相一致，最高溫度也符合設計要求。

圖3　整機主要損耗部件表面溫度場

圖4　整機某截面流場

圖4為整機某截面速度矢量圖，圖5為整機空氣從進風口到出風口的流跡圖?？梢钥闯?，熱敏感器件周圍不存在影響較大的散熱死區(qū)，機柜內(nèi)流場相對合理。另外，熱分析結(jié)果也包括各風機的工作點：其中IGBT模塊獨立離心風機的平均工作風量約為622.4 m3/h，風壓約84.1 Pa；交流柜頂部軸流風機的工作風量約為1 427.8 m3/h，風壓約84.1 Pa。與設計風量相比，所選風機的模擬工作風量滿足散熱設計要求，結(jié)合關鍵損耗部件的散熱情況及其他較小損耗器件周圍的流場情況，該逆變器風道設計視為合理。

圖5　整機流跡圖

3樣機實驗和誤差分析

樣機老化測試滿載運行，由于有外在條件限制，溫升測試在無恒溫功能的室內(nèi)進行。這使得樣機的具體實驗條件和前期熱分析時50℃環(huán)境溫度的假設不符，為了使兩者具備可比性，這里忽略不同背景溫度輻射的影響，選用各器件相應溫升進行比較。分析誤差計算公式相應調(diào)整為：

(5)

3.1IGBT模塊

測試時間為8 h，穩(wěn)定時環(huán)境溫度25.8℃，211測點為環(huán)境溫度。

作為典型溫度的屏幕溫度在測試時穩(wěn)定較快，大約40 min后即達到穩(wěn)定，穩(wěn)定溫度為65℃，溫升39.7 K。對比3.3的IGBT模塊的模擬結(jié)果，分析誤差2.1%，達到該器件典型溫度分析誤差控制在5%的設計要求。熱分析時損耗是以面熱源的簡化方式給出，所以IGBT模塊外殼的分析溫度不能代表IGBT模塊真實的運行溫度，老化結(jié)果只作為考量局部散熱的參考(圖6為270 V時，IGBT外殼測點溫度結(jié)果)。因此，IGBT模塊外殼的分析數(shù)據(jù)和相應的老化數(shù)據(jù)不進行對比，本機型IGBT模塊外殼布點共3個：106、111、105，分別為U、V、W相IGBT模塊底板頂面中點測點，最熱點為V相點111(60.2℃)，溫升34.4℃，溫升幅度正常。

圖6　270 V時 IGBT外殼測點溫度結(jié)果

3.2電抗器

電抗器測點大概位置和溫度結(jié)果如圖7所示，其中線圈表面由于運行過程中的振動和線圈材質(zhì)問題，202、203發(fā)生松動。有逆變器運行結(jié)束后，打開后門板經(jīng)紅外熱像儀觀察結(jié)果來看，線圈表面溫度要遠低于鐵芯溫度，所以不再對線圈表面溫度進行單獨測試。

圖7　電抗器兩側(cè)測點位置及溫度結(jié)果

從布點圖上可以看出， 鐵芯柱上靠近線圈的209、206測點為電抗器的典型溫度測點。從老化結(jié)果上來看，測試結(jié)束時電抗器溫度基本達到穩(wěn)定，各正常測點溫度在50℃～80.5℃。典型溫度測點結(jié)果與相應熱分析數(shù)據(jù)進行對比：209點，穩(wěn)定溫度80.5℃，測試溫升54.7K，此點附近的分析溫 升約為60K，分析誤差約為4.8%；206點，穩(wěn)定溫度78.8℃，測試溫升53K，此點附近的分析溫升約為58K，分析誤差約為4.6%。另外，其他測點的分析誤差分別為204，8%；205，14.1%；210，26.4%。

整體來看，電抗器典型溫度的溫升在允許范圍內(nèi)，但其余測點的分析誤差較大。誤差較大的主要原因是電抗器的局部損耗未知和電抗器簡化建模時忽略了絕緣層，前者因為產(chǎn)生損耗原因復雜而很難給出使用工況下的確定值，后者如實建模數(shù)據(jù)難以取得且網(wǎng)格數(shù)量很難控制。在較短時間內(nèi)，怎么利用現(xiàn)有條件給出較為合理的模擬數(shù)據(jù)是整機系統(tǒng)中電抗器熱分析的難點之一。典型溫度控制在整體上把握了電抗器能測試到的最高溫度，舍棄了局部的誤差控制，使熱分析數(shù)據(jù)具備了實用性。

4結(jié)語

在逆變器整機熱分析中引入典型溫度能有效的簡化分析參數(shù)、明確分析目標并使得分析數(shù)據(jù)具備“本地化”的特點，通過對典型溫度的控制，使整機熱性能和熱分析精度都大為提高。針對整機中不同的損耗器件，典型溫度的選取和對分析誤差的要求不同。

(1)當器件的最高工作溫度難以通過測試直觀得到時，為了方便后期測試，選擇和最高溫度有聯(lián)系的易于測到的溫度作為典型溫度，對最高溫度的設計要求也做出相應調(diào)整。

(2)對于溫度敏感的貴重器件，熱分析時嚴格控制其典型溫度符合設計要求，并根據(jù)其他機型的經(jīng)驗、以典型溫度的熱分析準確性為目標力求分析條件設定的精確，把分析誤差控制在5%以內(nèi)，使其在高溫環(huán)境下能夠長時間正常工作。

(3)對于溫度不太敏感、損耗較大的器件，當具體損耗難以給定時，根據(jù)實驗條件選擇能測試到的最高溫度作為典型溫度，熱分析時整體上把握典型溫度的精度，必要時舍棄相對低溫局部的誤差控制，使其熱分析具備合理性。

(4)整機熱分析除了能較準確的掌握關鍵損耗部件的散熱情況外，還能直觀的了解機柜內(nèi)的流場情況，兼顧其他發(fā)熱量稍小的電器件的布置。另外，整機分析便于選擇合適的風道系統(tǒng)及風機，省去了較為麻煩且準確性較差的流阻計算環(huán)節(jié)，提升了整機風道的合理性。

(5)本文采用的溫升對比法對熱分析誤差計算有一定影響，考慮到輻射在強迫通風系統(tǒng)中的散熱貢獻較小，此方法所引起的誤差可以接受。

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(本文編輯：楊林青)

Application of Typical Temperature Control in the Thermal Analysis of High-Power Inverter

CHEN Wei-hong，JIAO Dao-hai，JIANG Yong-he

(Changzhou Giantion Optoelectronics Industry Development Co., Ltd.，Changzhou 213022, China)

Abstract:Taking the high-power inverter as an example, this paper explores to find the typical temperature points to best reflect each loss component's thermal performance based on its inherent characteristics and the aging test conditions of the sample inverter. In the early stage of product development, make thermal analysis of the whole inverter scheme using Icepak thermal analysis software, and control the typical temperature of each loss device; in the later stage of the prototype aging test, record the corresponding typical temperature and assess the thermal analysis accuracy by ignoring the influence of background radiation of ambient temperature. By control the typical temperature in the product development phase, without increasing the testing equipment cost, make the thermal analysis results reasonable, thus improving the overall accuracy of thermal analysis.

Key words:thermal analysis of integral inverter; typical temperature control; error analysis

DOI：10.11973/dlyny201602017

作者簡介：陳衛(wèi)紅(1982)，女，碩士，工程師，主要從事光伏逆變器散熱仿真分析的研究。

中圖分類號：TM464

文獻標志碼：B

文章編號：2095-1256(2016)02-0229-05

收稿日期：2016-01-23