常州博瑞電力自動(dòng)化設(shè)備有限公司 張海龍 劉博嘉 徐國良 姚 寧 周力民

從IGBT損耗、散熱器、風(fēng)機(jī)選型等幾個(gè)方面詳細(xì)介紹了儲能變流器功率模塊的散熱設(shè)計(jì)。通過仿真軟件建立仿真模型，對功率模塊的散熱通風(fēng)過程進(jìn)行仿真分析，根據(jù)功率模塊的溫度場和流場評估熱設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，最后通過對比不同風(fēng)機(jī)的仿真數(shù)據(jù)驗(yàn)證了功率模塊風(fēng)機(jī)選型的合理性，對后續(xù)功率模塊的散熱設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)建議。

近年來，由于工業(yè)發(fā)展及人民生活水平的不斷提高，導(dǎo)致用電量的持續(xù)增加，使的電網(wǎng)負(fù)荷日益加重。隨著國家“雙碳”目標(biāo)的打響，新能源的開發(fā)利用步入新的階段，其中儲能系統(tǒng)作為電力生產(chǎn)過程中“采-發(fā)-輸-配-用-儲”六大環(huán)節(jié)中一個(gè)重要組成部分，其市場迅速增長。儲能變流器作為儲能系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，通過交流、直流的雙向轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)能量的存儲和釋放。其中儲能變流器的功率模塊作為儲能變流器的核心組件，采用IGBT模塊能有效減小器件損耗，提高變流器轉(zhuǎn)換效率。儲能變流器要求能夠在惡劣的工況下長期運(yùn)行，對儲能變流器產(chǎn)品的可靠性要求是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

伴隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，電力電子設(shè)備不斷向小型化、密集化發(fā)展，由于散熱能力不足而導(dǎo)致電力電子設(shè)備出現(xiàn)故障的情況時(shí)有發(fā)生。如果熱量不能及時(shí)散發(fā)出去，造成熱量的集聚，從而使電力電子元器件產(chǎn)生故障，影響其工作穩(wěn)定性甚至縮短使用壽命。據(jù)估計(jì)，電子元器件的環(huán)境溫度每升高10℃，其可靠性會減半。因此，電力電子設(shè)備所處環(huán)境的溫度控制，成為設(shè)備穩(wěn)定可靠運(yùn)行的關(guān)鍵要素。

隨著有限元分析的發(fā)展，采用數(shù)值模擬的方式對具體產(chǎn)品進(jìn)行熱分析已成為熱設(shè)計(jì)的重要方式之一。散熱仿真優(yōu)化分析軟件在航空航天、醫(yī)療器械、機(jī)車牽引、電力電子、消費(fèi)電子產(chǎn)品、電氣、半導(dǎo)體等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，且其散熱仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性也得到試驗(yàn)驗(yàn)證。

本文以某種儲能變流器功率模塊為研究對象，在確定散熱器材料、基板厚度、翅片高度、翅片厚度、翅片間距的情況下，通過仿真對比不同風(fēng)機(jī)的散熱效果，其結(jié)果對儲能變流器模塊的散熱設(shè)計(jì)具備一定的指導(dǎo)意義。

1 散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 電子熱設(shè)計(jì)理論

電力電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)主要采用合適可靠的方法來控制產(chǎn)品內(nèi)元器件的溫度，使其在所處的工作環(huán)境溫度下運(yùn)行時(shí)，溫度不超過規(guī)定的最高溫度，這就要求電力電子設(shè)備產(chǎn)品要具有良好的熱可靠性。

溫度是影響元器件可靠性的一個(gè)重要因素，研究表明近55%的電子器件失效是由于溫度相關(guān)的因素導(dǎo)致的，散熱設(shè)計(jì)已成為電子電子設(shè)備性能分析中不可或缺的一部分?；陔娏﹄娮悠骷膶?shí)際發(fā)展情況，對散熱方面的不斷深入研究，應(yīng)用較為普遍的散熱方法有風(fēng)冷、液冷、熱電制冷、熱管制冷等。根據(jù)相關(guān)研究可知，液冷換熱系數(shù)更高、效果更佳，風(fēng)冷則成本相對較低，對此在散熱設(shè)計(jì)過程中需結(jié)合實(shí)際運(yùn)行工況選擇合理的散熱方式。

1.2 功率模塊損耗

儲能變流器的功率器件為IGBT模塊，IGBT模塊損耗主要包括IGBT和FWD的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。在產(chǎn)品開發(fā)過程中，IGBT模塊的熱損耗數(shù)據(jù)來源于廠商提供的模擬仿真數(shù)據(jù)。功率模塊總發(fā)熱量為2700W，IGBT最高允許的穩(wěn)定工作的結(jié)溫為115℃。每個(gè)功率模塊單獨(dú)配1個(gè)散熱器。

1.3 散熱器設(shè)計(jì)

IGBT模塊的熱量先通過熱傳導(dǎo)將散熱器基板進(jìn)行加熱，之后熱量由基板傳導(dǎo)至散熱器翅片，最后通過對流將翅片上的熱量帶走。在結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)工藝允許的情況下，翅片應(yīng)盡可能的薄，同時(shí)要控制合理的翅片間距，翅片過密散熱量會增大，同樣也會導(dǎo)致的風(fēng)阻增大，對風(fēng)機(jī)的抗壓損能力要求較高。

結(jié)合功率模塊的外形尺寸要求、IGBT模塊損耗、散熱效率以及散熱器廠家的生產(chǎn)工藝確定散熱器的規(guī)格參數(shù)，見表1所示。

表1 散熱器參數(shù)

1.4 風(fēng)機(jī)選型

在產(chǎn)品開發(fā)過程中，根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際熱損耗進(jìn)行風(fēng)量計(jì)算、風(fēng)機(jī)選型，合適的風(fēng)機(jī)對設(shè)備的長期穩(wěn)定運(yùn)行是至關(guān)重要的。散熱器所需風(fēng)量L可根據(jù)熱平衡方程計(jì)算得出，然后根據(jù)散熱器所需風(fēng)量進(jìn)行散熱風(fēng)機(jī)選型。

圖1 風(fēng)機(jī)1溫度場

圖2 風(fēng)機(jī)2溫度場

圖3 風(fēng)機(jī)3溫度場

式中L為所需氣體流量，單位m3/s；Q為功率模塊的總熱損耗，單位kW；ρ為氣體密度，單位kg/m3，Cp為氣體比熱，單位J/(kg.℃)；Δt為進(jìn)風(fēng)出風(fēng)的溫差，單位℃。

環(huán)境溫度40℃時(shí)，空氣比熱容為1.005kJ/(kg.℃)，密度為1.128kg/m3，根據(jù)上式計(jì)算其風(fēng)量值：L=2.7/(1.128h1.0058h15)≈0.16m3/s，取1.2的安全系數(shù)，得出單個(gè)功率模塊的風(fēng)量為0.19m3/s。

結(jié)合計(jì)算出的風(fēng)量數(shù)據(jù)，要求風(fēng)機(jī)風(fēng)量不小于0.19m3/s，同時(shí)具備一定的余壓。初步選型三款風(fēng)機(jī)，分別命名為風(fēng)機(jī)1、風(fēng)機(jī)2、風(fēng)機(jī)3。通過仿真進(jìn)行對比分析，選擇合適的風(fēng)機(jī)作為最終選型使用。

2 儲能變流器熱功率模塊仿真分析

2.1 仿真建模

儲能變流器功率模塊的仿真模型參數(shù)設(shè)置如下：（1）環(huán)境溫度：40℃；（2）海拔1000m；（3）設(shè)置選用紊流狀態(tài)計(jì)算公式，系統(tǒng)求解迭代計(jì)算步數(shù)為5000；（4）單個(gè)功率模塊損耗為2.7kW，風(fēng)冷散熱器材質(zhì)為AL，在散熱器表面設(shè)置面熱源，輸入功率模塊實(shí)際工作條件下的損耗值。

IGBT模塊的熱損耗為功率功率模塊中的主要熱源，為方便仿真計(jì)算，對功率模型進(jìn)行簡化，忽略對熱設(shè)計(jì)影響較小的元器件。并根據(jù)實(shí)際風(fēng)機(jī)的選型，輸入相應(yīng)風(fēng)機(jī)的P-Q曲線作為變量對比，仿真參數(shù)設(shè)置見表2所示。

表2 邊界條件

2.2 溫度場分布

通過仿真，可以清晰的對比出使用不同風(fēng)機(jī)時(shí)散熱器的溫升及通過散熱器的流量。

2.3 報(bào)告及分析

通過仿真軟件的后處理讀取3種風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、工作點(diǎn)、散熱器溫升，見表3所示，可以得出以下結(jié)論：

（1）在使用散熱器結(jié)構(gòu)外形一致的的情況下，不同風(fēng)機(jī)實(shí)際流量：風(fēng)機(jī)1＜風(fēng)機(jī)2＜風(fēng)機(jī)3，風(fēng)機(jī)1流量不滿足系統(tǒng)最小流量要求，風(fēng)機(jī)2、風(fēng)機(jī)3風(fēng)量滿足使用要求。

（2）風(fēng)機(jī)1工作點(diǎn)位于風(fēng)機(jī)曲線末端，處于不合理的區(qū)間，風(fēng)機(jī)2、風(fēng)機(jī)3工作點(diǎn)位于風(fēng)機(jī)曲線中間段，位于合理的工作區(qū)間。

（3）在當(dāng)前散熱器結(jié)構(gòu)的仿真系統(tǒng)中，風(fēng)機(jī)1應(yīng)用后，散熱器溫升超40K，風(fēng)機(jī)2、風(fēng)機(jī)3應(yīng)用后，散熱器溫升小于40K。不同風(fēng)機(jī)的溫升值如表3所示。

表3 不同風(fēng)機(jī)的溫升值

本文通過理論計(jì)算得出功率模塊散熱所需最低風(fēng)量，根據(jù)風(fēng)量完成3款風(fēng)機(jī)選型。在功率模塊散熱器結(jié)構(gòu)保持不變的情況下，從風(fēng)量、壓損、散熱器溫升對3款風(fēng)機(jī)的散熱能力進(jìn)行對比。仿真結(jié)果直觀的體現(xiàn)出不同風(fēng)機(jī)的在當(dāng)前系統(tǒng)中的散熱能力，可以用于指導(dǎo)風(fēng)機(jī)選型及散熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。