宮 帥，劉 直，殷振環(huán)，宋術(shù)全

（北京縱橫機電科技有限公司，北京 100094）

隨著世界高速鐵路的快速發(fā)展，高速列車的運行區(qū)域和運行環(huán)境不斷拓展，高寒地區(qū)高速鐵路的建設(shè)也越來越多。近年來，我國相繼研制出適應(yīng)-40～40℃環(huán)境運用的高速動車組，如CRH380B高寒動車組、中國標準動車組等。針對-40～40℃這一環(huán)境下的動車組國內(nèi)外也已經(jīng)進行了很多的理論研究，同時也具有了很多的運用經(jīng)驗［1-4］。隨著我國高鐵逐漸走出國門走向世界，高鐵設(shè)計必須具有滿足全球市場需求的國際化軌道交通技術(shù)、標準、裝備和服務(wù)能力體系。由于歐亞大陸不同國家之間的氣候差別非常大，因此作為高速動車組核心部件的牽引輔助變流器必須具有高耐候性，可以在-50～40℃溫度范圍下長期正常運營。這就要求設(shè)計者必須具有高耐候性牽引輔助變流器的設(shè)計能力，掌握-50～40℃運用溫度下牽引輔助變流器的關(guān)鍵技術(shù)，提高在國際市場的技術(shù)競爭力。目前，對于-50～40℃極端運用環(huán)境下的研究還比較少，對于-50～40℃運用環(huán)境的研究有助于提升產(chǎn)品的國際競爭力。

文中利用熱仿真分析方法，以高速動車組牽引輔助變流器為研究對象，采用計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）軟 件Flo-THERM進行相關(guān)的研究。首先在仿真軟件中建立了相應(yīng)的仿真計算模型，并通過樣機的溫升試驗對于仿真模型的準確性和可行性進行驗證。之后在環(huán)境溫度-50～40℃這2種極端環(huán)境下對高速動車組牽引輔助變流器進行了仿真計算，得到功率模塊水冷基板的溫度變化情況等詳細信息，為在-50～40℃溫度區(qū)間運行的高速動車組牽引輔助變流器的設(shè)計提供理論依據(jù)和參考。

1 熱分析

1.1 熱仿真計算

熱能的傳遞有3種基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射。熱仿真設(shè)計是根據(jù)熱能傳遞的基本原理，在產(chǎn)品設(shè)計的初期，利用仿真軟件建立產(chǎn)品的虛擬模型，預(yù)測產(chǎn)品內(nèi)部的氣流流動、溫度分布和熱量傳遞過程。根據(jù)仿真結(jié)果可以識別產(chǎn)品存在的熱風險，并且進一步提高產(chǎn)品的可靠性。

熱仿真軟件進行仿真分析的主要流程包括建立幾何模型、設(shè)定初始條件和邊界條件、劃分網(wǎng)格、仿真計算、仿真結(jié)果的后處理等環(huán)節(jié)，各個環(huán)節(jié)設(shè)計的合理與否直接關(guān)系到仿真結(jié)果的準確性，求解流程如圖1所示。

圖1 FloTHERM軟件求解流程

1.2 冷卻液性質(zhì)

動車組變流器冷卻液采用Antifrogen N與水的混合液，冷卻液的性質(zhì)與Antifrogen N和水的混合比例有關(guān)。

Antifrogen N和水的混合物的防凍性隨著Antifrogen N的體積濃度不同而變化，Antifrogen N的體積濃度越大，冷卻液的冰點越低，防凍性越好。根據(jù)Antifrogen N性能特性可知，當環(huán)境溫度最低為-40℃時，冷卻液的配比Antrifrogen N液∶水為56∶44即可滿足條件；當環(huán)境溫度最低達到-50℃時，需要重新調(diào)整冷卻液的配比以提高其防凍性，冷卻液的配比需要調(diào)整為Antrifrogen N液∶水為60∶40。

在溫度保持不變的情況下，隨著冷卻液中Antifrogen N的體積濃度增加，冷卻液的黏度增大，冷卻液的密度也隨之增大，冷卻液的熱導(dǎo)率則隨著Antifrogen N的體積濃度增加而減小。因此，提高Antifrogen N的體積濃度，雖然可以提升冷卻液的防凍性，但是冷卻液的導(dǎo)熱能力則會下降，流阻也會相應(yīng)的增大，散熱能力會隨之下降。

2 變流器構(gòu)成及損耗計算

牽引輔助變流器機箱內(nèi)主要包含功率模塊、電容、TCU、輔助變壓器、電感、冷卻單元等部件。牽引輔助變流器內(nèi)主要發(fā)熱部件是絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）、輔助變壓器、電感、電容等。IGBT是變流器運行過程中可靠性要求最高的關(guān)鍵器件，IGBT的熱量主要通過水冷基板散出。此次研究主要針對功率模塊進行。

2.1 IGBT的功率損耗計算方法

IGBT的功率損耗分為IGBT的通態(tài)損耗和開關(guān)損耗以及反并聯(lián)二極管的功率損耗。目前計算IGBT的功率損耗的方法有多種：

（1）基于物理結(jié)構(gòu)的IGBT損耗模型：深入分析IGBT器件構(gòu)造和原理，利用電阻、電感、電容、電流源、電壓源等基本元件建立IGBT的等效電路模型。

（2）基于數(shù)學方法的IGBT損耗模型：這種方法與器件的具體類型無關(guān)，它是基于大量數(shù)據(jù)的測量，尋找出功耗與各個影響因素的數(shù)量關(guān)系。

（3）損耗近似公式：對于特定類型的電路，可以通過IGBT工作特點推導(dǎo)損耗近似公式。

（4）使用IGBT功耗仿真軟件：各大IGBT廠商都開發(fā)了仿真軟件，例如英飛凌的IPOSIM、三菱的Melcosim、富士的IGBT simulator等［5-7］。

2.2 IGBT的損耗計算

2.2.1 單個IGBT通態(tài)損耗

平均通態(tài)損耗計算公式為式（1）：

式中：VCEsat是IGBT的飽和壓降，Iav是IGBT通態(tài)電流平均值，二者相乘后得到IGBT的平均通態(tài)損耗為Psat。

2.2.2 單個IGBT關(guān)斷損耗

實際關(guān)斷損耗計算公式為式（2）：

式中：fsw為每秒鐘內(nèi)IGBT關(guān)斷次數(shù)；Eoff為IGBT關(guān)斷電壓和關(guān)斷電流分別為Vstdoff和Istdoff時的關(guān)斷損耗；根據(jù)IGBT實際平均關(guān)斷電壓Vavoff和平均關(guān)斷電流Iavoff進行折算得到的實際關(guān)斷損耗Poff。

2.2.3 單個IGBT開通損耗

實際開通損耗計算公式為式（3）：

式中：fsw為每秒鐘內(nèi)IGBT開通次數(shù)；Eon為IGBT開通電壓和開通電流分別為Vstdon和Istdon時的開通損耗；根據(jù)IGBT實際平均開通電壓Vavon和平均開通電流Iavon進行折算得到的實際開通損耗Pon。

2.3 二極管的損耗計算

二極管的損耗包括二極管的前向通態(tài)損耗和反向恢復(fù)損耗，二極管通態(tài)損耗的計算公式為式（4）：

式中：VF為二極管的前向通態(tài)壓降；Iav為二極管的平均通態(tài)電流。

逆變器中二極管的反向恢復(fù)損耗決定于反向恢復(fù)電流的大小，其計算公式為式（5）：

式中：Ere為電流為反向恢復(fù)電流IE時的損耗；fsw為開關(guān)頻率；I為實際電流值。

綜上所述，單個IGBT封裝模塊總損耗為式（6）：

3 熱仿真分析

文中仿真使用的FloTHERM軟件是目前主流的電子電氣三維熱仿真軟件，可應(yīng)用于封裝元件、PCB板、系統(tǒng)設(shè)備和數(shù)據(jù)中心等不同等級，廣泛應(yīng)用于通訊、電力能源、計算機、消費電子、半導(dǎo)體、汽車、航天和機車等行業(yè)領(lǐng)域。該次仿真在額定工況下進行，具體參數(shù)見下文。

3.1 熱仿真模型的建立與試驗驗證

首先建立所研究的牽引輔助變流器的仿真模型，通過在樣機上進行溫升試驗，對于仿真模型的準確性和合理性進行驗證。冷卻液配比Antrifrogen N液∶水為56∶44。

3.1.1 模型建立

在SolidWorks三維繪圖軟件中建立所研究牽引輔助變流器模型，將模型進行適度的簡化后導(dǎo)入仿真軟件中，在仿真軟件中建立牽引輔助變流器的幾何模型，如圖2所示。

圖2 仿真軟件中建立的變流器模型

3.1.2 初始條件

在仿真軟件中設(shè)定牽引輔助變流器各個部件的材料參數(shù)，輸入必要的初始條件：環(huán)境溫度為40℃，環(huán)境壓力為1 atm，冷卻液流量為500 L/min，冷卻液配比Antrifrogen N液∶水為56∶44，冷卻液初始溫度設(shè)定為57℃，功率模塊A1～A4單個模塊損耗取8.5 kW，功率模塊A5、A6單個模塊損耗取9 kW，功率模塊A7、A8單個模塊損耗取5.5 kW，功率模塊A9模塊損耗取7 kW，功率模塊總損耗為70 kW。

3.1.3 網(wǎng)格劃分及穩(wěn)態(tài)求解

對于幾何模型進行網(wǎng)格劃分，設(shè)定仿真參數(shù)，進行仿真計算，求解收斂后得到牽引輔助變流器關(guān)鍵部件的穩(wěn)態(tài)溫度值，見表1。

3.1.4 試驗驗證

為了驗證熱仿真結(jié)果準確性，按試驗大綱對所研究的牽引輔助變流器樣機進行額定工況下的溫升試驗。溫度測試方法為粘貼熱電偶測點，針對變流器內(nèi)關(guān)鍵部件共設(shè)置了9個測點，溫升試驗共進行7 h，所有試驗點的溫度達到了變化率小于2 K/h的穩(wěn)定標準。將試驗中實測數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果中相同位置的仿真溫度值進行對比，見表1。

表1 各測點位置溫度對比 單位：℃

從試驗結(jié)果可以看出，在額定工況下，各個測點的仿真結(jié)果與溫升試驗實測結(jié)果誤差在5.4℃以內(nèi)，誤差均在±10%以內(nèi)，仿真結(jié)果與實際情況基本一致，從而證明文中建立的仿真模型具有準確性和可行性。

3.2 不同工況下熱分析

變流器冷卻液采用Antrifrogen N液和水的混合液，由于冷卻液性質(zhì)的限制，當環(huán)境溫度低至-50℃時，冷卻液的配比需要調(diào)整為AntrifrogenN液∶水為60∶40。在40℃和-50℃這2種高低溫極端環(huán)境溫度下，分別進行變流器的熱仿真計算，分析變流器的溫升變化情況。此次仿真計算，一共進行了2種不同極端工況下的仿真分析：（1）環(huán)境溫度為40℃，冷卻液配比Antrifrogen N液∶水為60∶40；（2）環(huán)境溫度為-50℃，冷卻液配比Antrifrogen N液∶水為60∶40。

環(huán)境壓力為1 atm，冷卻液流量為500 L/min，功率模塊總損耗為70 kW，對于以上2種工況，分別進行仿真計算，求解收斂后得到牽引輔助變流器關(guān)鍵部件的穩(wěn)態(tài)溫度值，仿真得到的溫度分布云圖如圖3所示，流場三維分布如圖4所示。

圖3 仿真溫度云圖示意

圖4 仿真流場分布示意

2種極端工況下，牽引輔助變流器內(nèi)部各個功率模塊的仿真結(jié)果見表2，各測點的溫度如圖5所示，其中表2中的水冷基板溫度為基板表面同一測點的溫度值。

表2 極端工況下的仿真計算結(jié)果 單位：℃

圖5 極端工況下各測點的溫度

通過仿真分析得到了在2種極端工況下功率模塊水冷基板的穩(wěn)態(tài)溫度值，工況1（環(huán)境溫度為40℃，冷卻液配比Antrifrogen N液∶水為60∶40）水冷基板的溫度較高；工況2（環(huán)境溫度為-50℃，冷卻液配比Antrifrogen N液∶水為60∶40）水冷基板的溫度較低，這是因為水冷基板入口水溫隨著環(huán)境溫度的下降而隨之下降，工況1入口水溫較高，而工況2入口水溫較低。

在同一環(huán)境溫度40℃下，分別進行仿真計算，求解收斂后得到牽引輔助變流器關(guān)鍵部件的穩(wěn)態(tài)溫度值，將仿真結(jié)果進行對比，如圖6所示。圖中可以看出，在環(huán)境溫度為40℃時，當冷卻液配比Antrifrogen N液∶水從56∶44提高到60∶40時，水冷基板的溫度隨之增大，即隨著冷卻液中Antrifrogen N液的比重增加，水冷基板的溫升隨之增大。

圖6 不同配比冷卻液下各測點的溫度對比

通過研究冷卻液的特性可以發(fā)現(xiàn)，隨著冷卻液中Antrifrogen N液的比例提升，冷卻液的散熱能力不斷降低。而所研究的牽引輔助變流器中功率模塊的冷卻方式主要是水冷形式，通過水冷基板對于IGBT封裝進行冷卻。因此，隨著冷卻液中Antrifrogen N液的體積濃度增大，冷卻液的冷卻能力不斷下降，水冷基板的冷卻效果出現(xiàn)了下降。

從仿真計算結(jié)果看出，對于高耐候性牽引輔助變流器，由于其工作溫度范圍為-50～40℃，因此對應(yīng)的冷卻液配比為Antrifrogen N液∶水為60∶40，對應(yīng)的水冷基板冷卻能力相較于-40～40℃這一環(huán)境工況下的水冷基板（Antrifrogen N液∶水為56∶44）差，因此對于變流器冷卻系統(tǒng)的要求更高。

4 結(jié)語

采用熱仿真分析的方法對于高速動車組牽引輔助變流器進行了研究，在仿真軟件中建立變流器的仿真模型，通過樣機的溫升試驗對于仿真模型的準確性和可行性進行了驗證。之后分別對于環(huán)境溫度為40℃和-50℃這2種極端工況下的變流器進行了熱仿真分析，得到了2種極端工況下功率模塊水冷基板的溫升情況。經(jīng)過仿真計算發(fā)現(xiàn)隨著冷卻液中Antrifrogen N液的體積濃度增大，冷卻液的冷卻能力不斷下降，水冷基板的冷卻效果出現(xiàn)了下降，與理論分析結(jié)果一致。在變流器的設(shè)計中，熱仿真分析可以在產(chǎn)品設(shè)計之初提前識別產(chǎn)品可能存在的熱風險，對于產(chǎn)品的可靠性提升、研發(fā)周期的縮短和研發(fā)成本的降低具有重要意義。