李江波，呂小宇，趙 昆，張道于，楊志強(qiáng)

(中車(chē)青島四方車(chē)輛研究所有限公司，山東 青島 266031)

1 引 言

近年來(lái)，隨著高速鐵路的快速發(fā)展，列車(chē)中IGBT越來(lái)越向小型化、高功率、高熱流密度、適應(yīng)熱環(huán)境的差異性更大的方向發(fā)展[1,2]，這對(duì)系統(tǒng)散熱提出了更高的要求。半導(dǎo)體元件的工作溫度在65℃以上時(shí)每升高10℃，其可靠性將下降50%[3]。單位體積內(nèi)熱耗散程度的增加，導(dǎo)致器件結(jié)溫急劇上升，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性[4,5]。

為了有效解決以上問(wèn)題，通常要在功率器件上安裝合適的風(fēng)冷散熱裝置。牽引逆變器中IGBT模塊的風(fēng)冷散熱裝置將大部分的熱量以較快的速度散到外界，進(jìn)而保證電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在任何負(fù)荷條件和工作環(huán)境中均能在最合適的溫度狀態(tài)下正常、可靠、穩(wěn)定地工作。因此，發(fā)熱元件的風(fēng)冷散熱裝置性能是影響電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及整個(gè)高速鐵路安全性、可靠性和動(dòng)力性能的重要因素。

2 IGBT風(fēng)冷散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本文根據(jù)某出口鉸接車(chē)牽引變流器箱的實(shí)際應(yīng)用工況，設(shè)計(jì)了IGBT的風(fēng)冷散熱系統(tǒng)。IGBT的風(fēng)冷散熱系統(tǒng)主要由散熱片及按一定原則排布于其上的IGBT組成。

2.1 加熱模塊設(shè)計(jì)方案

變流系統(tǒng)一般由多個(gè)IGBT模塊組成，由于IGBT模塊需要接通高壓電流，其功率不可調(diào)節(jié)，為方便試驗(yàn)研究，采用可變功率的發(fā)熱塊來(lái)模擬IGBT等產(chǎn)熱電氣元件。根據(jù)該IGBT的實(shí)際工況，確定以下性能參數(shù)：?jiǎn)蝹€(gè)發(fā)熱塊可調(diào)功率范圍0～2kW，采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，發(fā)熱塊最大總功率為20kW；加熱系統(tǒng)的供電電源采用箱式電動(dòng)調(diào)壓器，單相輸入市電220V，輸出單相AC0～250V可調(diào)，額定功率20kW。

根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)，模擬IGBT熱源的加熱模塊通常有兩種結(jié)構(gòu)：

第一種結(jié)構(gòu)采用模具本身穿孔、孔內(nèi)插加熱電阻棒的結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)節(jié)電阻棒的數(shù)量調(diào)節(jié)熱源功率。此種加熱模塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于更換維修，若某一加熱電阻棒損壞，可直接更換，無(wú)需更換整個(gè)模塊。其缺點(diǎn)是電阻棒與模具間有縫隙，即使使用內(nèi)涂導(dǎo)熱硅脂也難以達(dá)到有效控制熱源功率的目的。其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 模具本身穿孔熱源模塊

第二種結(jié)構(gòu)是在模塊澆鑄時(shí)內(nèi)置電阻絲，內(nèi)置電阻阻值恒定，與模具接觸緊密，且發(fā)熱電阻可按設(shè)計(jì)分布，可獲得比較均勻的基板溫度場(chǎng)分布。其缺點(diǎn)是維修困難，如果內(nèi)部電阻絲折斷，則必須更換整個(gè)模塊。其結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

圖2 內(nèi)置電阻熱源模塊

考慮兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)擬采用內(nèi)置電阻的熱源模塊方案。

2.2 散熱片設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)的散熱片主要為鋁型材散熱片，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，外圍尺寸為1200mm×500mm×120mm，基板厚度為20mm，翅片為5mm，高度為100mm，翅片間距為15mm，共有60片翅片。該散熱片通過(guò)密集布置翅片增大其同外界的對(duì)流換熱面積，對(duì)流換熱面積可達(dá)6m2，極大減少了同外界環(huán)境之間的對(duì)流換熱熱阻。

圖3 鋁型材散熱片

2.3 加熱模塊排布設(shè)計(jì)方案

IGBT在散熱片上排布不同，會(huì)造成散熱片上的溫度場(chǎng)分布不同。合理的布置能夠充分利用散熱片，并且提高風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的散熱性能。由于逆變器空間的限制，本文將IGBT(加熱模塊)兩排對(duì)稱排布，如圖4所示。散熱片溫度測(cè)量點(diǎn)分布如圖5所示。

圖4 IGBT(加熱模塊)分布圖

圖5 散熱片溫度測(cè)量點(diǎn)分布圖

3 風(fēng)冷散熱系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)測(cè)定

風(fēng)冷散熱系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)為整個(gè)風(fēng)冷散熱系統(tǒng)提供試驗(yàn)所需要的不同風(fēng)速的散熱風(fēng)。試驗(yàn)臺(tái)性能要求：(1)適應(yīng)已有實(shí)驗(yàn)室空間布局；(2)最大風(fēng)速8m/s，風(fēng)速可調(diào)；(3)具有穩(wěn)流機(jī)構(gòu)；(4)具有風(fēng)壓、流量、溫度測(cè)定功能。

3.1 試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺(tái)主要由風(fēng)道系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)及測(cè)控系統(tǒng)組成。

(1)風(fēng)道設(shè)計(jì)

風(fēng)冷散熱系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)的風(fēng)道進(jìn)出口均位于窗口處，即風(fēng)道從室外吸風(fēng)，經(jīng)過(guò)工作區(qū)排出室外。試驗(yàn)過(guò)程中，不會(huì)對(duì)室內(nèi)空氣流場(chǎng)產(chǎn)生影響。

風(fēng)道分為前中后3段。前段較長(zhǎng)，內(nèi)部設(shè)置整流網(wǎng)，主要起穩(wěn)定氣流的作用；中段為測(cè)試段，為適應(yīng)不同大小散熱器試驗(yàn)的需求，截面尺寸可采用粘貼固定泡沫板的形式進(jìn)行調(diào)整；后段為測(cè)試段與風(fēng)機(jī)的連接段，其中設(shè)置格柵，有穩(wěn)定氣流的作用。風(fēng)道系統(tǒng)布局如圖6所示。

圖6 風(fēng)道系統(tǒng)

(2)風(fēng)機(jī)選型

風(fēng)機(jī)的風(fēng)量：風(fēng)道內(nèi)設(shè)計(jì)最大流速(8m/s)與截面積(0.7225m2)的乘積，為20808m3/h。考慮到風(fēng)道和散熱器的阻力總和較大，選擇壓頭高的風(fēng)機(jī)。本系統(tǒng)選用變頻離心風(fēng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)速可調(diào)。

(3)測(cè)控系統(tǒng)

測(cè)控系統(tǒng)原理如圖7所示，所用設(shè)備的型號(hào)如表1所示。

圖7 測(cè)控系統(tǒng)原理

表1 設(shè)備型號(hào)表

試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物如圖8所示，測(cè)控軟件界面如圖9所示。

圖8 風(fēng)冷散熱系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)

圖9 測(cè)控軟件界面

3.2 試驗(yàn)測(cè)定

試驗(yàn)有2種工況，一種是四象限工況，一種是牽引工況。將待測(cè)風(fēng)冷散熱系統(tǒng)安裝于試驗(yàn)臺(tái)上，按照四象限模塊、牽引逆變模塊設(shè)計(jì)情況布置加熱塊。按照設(shè)計(jì)值設(shè)定加熱塊加熱功率及風(fēng)機(jī)風(fēng)量，運(yùn)行并記錄各加熱塊溫升數(shù)據(jù)。

4 風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的仿真計(jì)算

4.1 建模

計(jì)算使用軟件為Flotherm，仿真計(jì)算環(huán)境溫度為45℃。

四象限模塊與牽引模塊結(jié)構(gòu)完全相同(如圖10所示)。左邊為四象限模塊，滿載運(yùn)行時(shí)，IGBT(P1到P8)功率：1.1kW/個(gè)，小電阻(R1、R2)功率：20W/個(gè)。右邊為牽引模塊，B1、B2、B4、B5、B6、B8功率：1.6kW/個(gè)，B3與B7不發(fā)熱，小電阻(R3、R4)功率：20W/個(gè)。所用風(fēng)機(jī)PQ曲線見(jiàn)圖11。

圖10 牽引箱內(nèi)部主要元件

圖11 風(fēng)機(jī)性能曲線

4.2 網(wǎng)格劃分

采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對(duì)風(fēng)機(jī)附近區(qū)域、IGBT附近區(qū)域、散熱片附近區(qū)域及其它風(fēng)速或溫度梯度大的區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，網(wǎng)格總數(shù)為122萬(wàn)，網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖12。

圖12 網(wǎng)格劃分

4.3 計(jì)算設(shè)置及結(jié)果

進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，湍流模型采用k-e模型。在每個(gè)IGBT以及電阻與散熱基板接觸面中點(diǎn)放置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，四象限模塊監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度、牽引模塊監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度如表2、表3所示。

表2 四象限模塊溫度變化表

表3 牽引模塊溫度變化表

IGBT與散熱片接觸平面溫度場(chǎng)如圖13所示。

圖13 IGBT與散熱片接觸平面溫度場(chǎng)

計(jì)算風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)為：1196Pa，3788m3/h。風(fēng)機(jī)計(jì)算工作曲線如圖14所示。

圖14 風(fēng)機(jī)計(jì)算工作曲線

5 試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的溫升進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定與仿真計(jì)算，四象限模塊試驗(yàn)與仿真計(jì)算溫升結(jié)果如表4所示，結(jié)果對(duì)比如圖15所示；牽引模塊試驗(yàn)與仿真計(jì)算溫升結(jié)果如表5所示，結(jié)果對(duì)比如圖16所示。

表4 四象限模塊試驗(yàn)與仿真計(jì)算溫升結(jié)果對(duì)比

圖15 四象限模塊試驗(yàn)與仿真計(jì)算溫升結(jié)果對(duì)比

表5 牽引模塊試驗(yàn)與仿真計(jì)算溫升結(jié)果對(duì)比

圖16 牽引模塊試驗(yàn)與仿真計(jì)算溫升結(jié)果對(duì)比

分析以上數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，仿真與試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果較為吻合，四象限模塊最大誤差小于4℃，牽引模塊最大誤差7.29℃。

6 結(jié) 論

(1)在滿負(fù)載工況下，四象限模塊仿真所得到的IGBT熱源最高溫升高于實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果3.91℃，誤差為4.5%；牽引模塊仿真所得到的IGBT熱源(工作狀態(tài))最高溫升高于實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果7.29℃，誤差為6.9%，均在可接受范圍內(nèi)。

(2)通過(guò)恰當(dāng)?shù)膮?shù)及邊界條件設(shè)定，利用Flotherm可較為準(zhǔn)確地對(duì)風(fēng)冷散熱系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算，有效縮短研發(fā)周期、降低研發(fā)成本。

(3)該試驗(yàn)臺(tái)較好地滿足了IGBT風(fēng)冷散熱試驗(yàn)的需求，同時(shí)也可對(duì)其它類似發(fā)熱電子元件展開(kāi)相關(guān)試驗(yàn)研究。