萬溧

（西藏自治區(qū)能源研究示范中心，西藏 拉薩 850000）

0 引言

伴隨科技水平的快速發(fā)展，電子產(chǎn)品的精細程度和集成化程度愈來愈高，其具有更加小型化、更加密集化的特點，這致使電子產(chǎn)品在單位面積上的熱流密度不斷提高，對電子產(chǎn)品的散熱性能要求也隨之不斷提升［1］。光伏逆變器作為太陽能光伏電站的心臟，其核心散熱模塊IGBT 的熱量，若不能及時有效的散出，不僅將導致IGBT 模塊的運行穩(wěn)定性下降和故障發(fā)生率提高，還將對光伏逆變器中其它電子產(chǎn)品的使用性能造成影響，縮短其實際使用壽命，甚至引發(fā)自燃火災等安全事故［2］。據(jù)有效數(shù)據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，現(xiàn)有超過50%的電子芯片等性能降低甚至燒損的原因就是由于散熱不均勻和散熱不及時，以致產(chǎn)生局部高溫造成的［3］。因此，光伏逆變器核心元器件IGBT模塊等的散熱問題已逐漸成為影響其整體使用效率的關(guān)鍵因素之一［4］，尤其是高原地區(qū)，因其特殊的高海拔、低氣壓地理環(huán)境條件，致使光伏逆變器核心元器件的散熱要求更加具有挑戰(zhàn)性。

微熱管陣列是一種內(nèi)部設(shè)置有多個獨立運行微小熱管的高效導熱元器件，其主要是運用了微尺度的相變傳熱傳質(zhì)工作原理，因此大量運用于電子產(chǎn)品散熱、大功率設(shè)備散熱、太陽能綜合開發(fā)利用等方面［5］。王薇，樊洪明［6］將平板微熱管陣列導熱技術(shù)與大功率LED 散熱技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計了基于平板微熱管陣列的U 型LED 散熱裝置，通過相關(guān)實驗研究，確定了該微熱管陣列散熱器的最佳肋片間距、最優(yōu)肋片厚度等值，論證了其有效散熱性能；王穎盈，刁彥華等［7］將平板微熱管陣列運用于磷酸鐵鋰電池組散熱，利用實驗測試與Fluent 軟件數(shù)值模擬，分析了微熱管陣列散熱器對磷酸鐵鋰電池組溫度場的影響，并得到結(jié)論：該微熱管陣列散熱器能有效降低電池組最高溫度，且溫度場平均溫度隨對流換熱系數(shù)的提高而下降；戰(zhàn)乃巖，吳俊廷等［8］將微熱管陣列運用于城市輕軌牽引變流器的散熱，通過將微熱管陣列作為其冷卻單元，利用ICEPAK 軟件分別模擬了不同肋片高度和傾斜角度對微熱管陣列散熱器散熱效果的影響，并對肋片設(shè)計進行了優(yōu)化；靖赫然，全貞花等［9］將平板微熱管陣列運用于數(shù)據(jù)機房散熱，設(shè)計了新型數(shù)據(jù)機房基于微熱管陣列的散熱器，通過搭建的實驗平臺，驗證了其散熱性能和散熱效果，并得到結(jié)論：該散熱器的最大散熱量可達8.79 kW，其中空氣側(cè)的阻力約252.6Pa，水冷側(cè)的阻力約8.8Pa，影響微熱管陣列散熱器散熱能力的主要因素為空氣側(cè)風量和水冷側(cè)溫差。

本文針對高原地區(qū)光伏逆變器散熱不均勻和散熱不及時的問題，圍繞微熱管陣列散熱器的肋片數(shù)量和肋片間距對其散熱性能的影響進行研究分析，得到實際應(yīng)用中微熱管陣列散熱器換熱性能的影響因素，為高原地區(qū)優(yōu)化基于微熱管陣列的光伏逆變器散熱提供理論基礎(chǔ)。

1 實驗裝置和原理

1.1 實驗用微熱管陣列

實驗裝置如圖1 所示，選取尺寸為900 mm×50 mm×3 mm（長×寬×厚）的平板形微熱管陣列，其內(nèi)部充裝工質(zhì)均為丙酮，且充液率均為50%，微熱管陣列的冷端和熱端長度均為450mm，冷熱段長度比為1:1。通過選取不同數(shù)量的微熱管陣列以不同的外邊間距排列方式，組合成微熱管陣列散熱器，并將該散熱器利用高效導熱硅脂緊密外置于光伏逆變器核心散熱元器件IGBT 模塊外殼處，其中該微熱管陣列散熱器的肋片數(shù)量分別設(shè)置為：5 根、8 根和12 根，外邊間距分別設(shè)置為：5mm、50mm 和80mm。通過測溫點1、2、3 和4 分別測試光伏逆變器核心元器件IGBT 模塊的表面平均溫度、微熱管陣列散熱器的冷端平均溫度、微熱管陣列散熱器的中間段平均溫度和微熱管陣列散熱器的熱端平均溫度，并采用經(jīng)標定的K型熱電偶將溫度測試數(shù)據(jù)輸送至數(shù)據(jù)采集器。具體實驗時，先將肋片數(shù)為5 根的微熱管陣列散熱器以外邊間距為5mm、50mm 和80mm 的工況，分別進行測溫點1～4 的溫度測試，通過測溫點溫度變化，分析不同外邊間距對該散熱器散熱性能和核心散熱元器件IGBT 模塊溫度場的影響；再將肋片數(shù)分別增加至8根和12 根，進而分析不同肋片數(shù)量所引起的溫度特性變化。

1.2 實驗所用原理

本文中對所涉及的光伏逆變器核心元器件IGBT模塊進行必要的簡化，擬定認為核心元器件IGBT 模塊在各個方向上具有相同性質(zhì)，其各向的物理參數(shù)相近；同時認為其產(chǎn)生的熱量在IGBT 模塊內(nèi)部均勻的產(chǎn)出，致使核心元器件IGBT 模塊的表面溫度分布均勻，沒有“極熱區(qū)”或“極冷區(qū)”；在忽略IGBT 模塊內(nèi)部的對流換熱量和輻射換熱量的基礎(chǔ)上，還忽略IGBT模塊與空氣間的對流換熱量和對外輻射量，僅考慮核心元器件IGBT 模塊與微熱管陣列散熱器之間的導熱，因此建立核心元器件IGBT 模塊存在的瞬態(tài)導熱數(shù)學模型如下［7］：

式中：ρ為核心元器件IGBT 模塊的平均密度，kg/m3；為核心元器件IGBT 模塊的比熱容，J/(kg·℃)；Cp為溫度，℃；λx、λy、λz為核心元器件IGBT 模塊內(nèi)部分別沿X 軸、Y 軸、Z 軸方向上的傳熱系數(shù)，W/(m·℃)；qv為核心元器件IGBT 模塊內(nèi)部的單位熱量產(chǎn)生速度，W/m3。

上計算式中，qv的計算方式為：

式中：△T為核心元器件IGBT模塊表面的溫升平均值，℃；△t為測試周期的時間，s。

本文中由于實驗時僅在核心元器件IGBT 模塊表面的一側(cè)外置有微熱管陣列散熱器，因此將造成外置有該散熱器的一面溫度相對更低，從而導致核心元器件IGBT 模塊的整體溫度場不均勻性增加，該不均勻性的計算公式為：

式中：Tmax為核心元器件IGBT 模塊表面的最高溫度，℃；Tmin為核心元器件IGBT 模塊表面的最低溫度，℃；Tave為核心元器件IGBT 模塊表面的平均溫度，℃。

2 結(jié)果分析

2.1 相同數(shù)量，不同間距的影響

本文選取肋片數(shù)量為8 的微熱管陣列散熱器，分別設(shè)置外邊間距為：5mm、50mm 和80mm，將其緊密外置于光伏逆變器核心元器件IGBT 模塊外殼處，通過進行測溫點1～4 的溫度測試，研究分析在相同的肋片數(shù)量條件下，不同的肋片間距對微熱管陣列散熱器散熱性能的影響。如圖2 所示，加裝不同肋片間距的微熱管陣列散熱器后，確實能有效降低光伏逆變器核心元器件IGBT 模塊的表面平均溫度。未加裝微熱管陣列散熱器前，IGBT 模塊的表面平均溫度約73.2℃，加裝相同肋片數(shù)量、不同肋片間距的微熱管陣列散熱器后，其表面平均溫度分別約：外邊間距5mm 為68.9℃，外邊間距50mm 為69.5℃和外邊間距80mm 為70.1℃；溫度下降分別為：4.3℃、3.7℃和3.1℃；溫度下降比分別為：5.9%、5.1%和4.2%.通過數(shù)據(jù)分析，微熱管陣列散熱器的肋片間距將影響其整體散熱性能，即使相同的肋片數(shù)量，其間距越大，散熱性能越弱。同時由表1可知，相同肋片數(shù)量條件下，肋片間距增大的微熱管陣列散熱器對IGBT 模塊的表面溫度的不均勻度增加，且隨著間距的不斷增大，不均勻度線性上升。如外邊間距5mm 時，不均勻度為1.7%，當間距增大10倍為50mm 時，不均勻度為2.2%，增幅為29.4%；而當間距由50mm 增加為80mm 時，不均勻度由2.2%增加至2.6%，增幅為18.2%.這是由于隨著微熱管陣列散熱器肋片間距的增大，核心元器件IGBT 模塊表面與微熱管陣列接觸區(qū)域溫度相對較低，而未接觸區(qū)域溫度相對較高，造成IGBT 模塊的表面溫度的不均勻度整體提高。因此在相同肋片數(shù)量，同時考慮對流換熱影響的情況下，應(yīng)適當減小微熱管陣列散熱器的肋片間距，這樣不僅有利于提升其散熱性能，還有利于減小核心元器件IGBT模塊的表面溫度不均勻性。

表1 不同肋片間距對溫度場的影響

2.2 相同間距，不同數(shù)量的影響

本文選取肋片間距為5mm的微熱管陣列散熱器，其肋片數(shù)量分別設(shè)置為：5 根、8 根和12 根，將其按上述步驟緊密外置于光伏逆變器核心元器件IGBT 模塊外殼處，通過進行測溫點1～4 的溫度測試，研究分析在相同的肋片間距條件下，不同的肋片數(shù)量對微熱管陣列散熱器散熱性能的影響。如圖3 所示，加裝不同肋片數(shù)量的微熱管陣列散熱器后，確實能有效降低光伏逆變器核心元器件IGBT 模塊的表面平均溫度。未加裝微熱管陣列散熱器前，IGBT 模塊的表面平均溫度約73.1℃，加裝相同肋片間距、不同肋片數(shù)量的微熱管陣列散熱器后，其表面平均溫度分別約：肋片數(shù)量5 根為70.5℃，肋片數(shù)量8 根為69.2℃，肋片數(shù)量5根為67.6℃；溫度分別下降為：2.6℃、3.9℃和5.5℃；溫度下降比分別為：3.6%、5.3%和7.5%.因此，在相同肋片間距的條件下，微熱管陣列散熱器的肋片數(shù)量越多，其散熱性能越好，核心元器件IGBT 模塊表面平均溫度降低比例越大。并且通過圖3 可得，隨著微熱管陣列散熱器肋片數(shù)量的增長，其散熱性能將隨之線性提高，如當肋片數(shù)量由5根提高至8根，肋片數(shù)增幅為60%，IGBT 模塊表面平均溫度降由2.6℃提高到3.9℃，上升1.3℃，上升比例為50%；而當肋片數(shù)量由8 根提高至12 根，肋片數(shù)增幅為50%，IGBT 模塊表面平均溫度降由3.9℃提高到5.5℃，上升1.6℃，上升比例為41%.這是由于隨著微熱管陣列散熱器的肋片數(shù)量增多，其與IGBT 模塊表面的接觸導熱面積增大，與環(huán)境空氣的對流換熱面積增大，對流換熱加強，致使微熱管陣列散熱器的散熱性能增強。

通過表2可知，在相同肋片間距的條件下，不同肋片數(shù)量的微熱管陣列散熱器對IGBT 模塊的表面溫度的不均勻度影響不同，且隨著肋片數(shù)量的不斷增多，不均勻度呈線性下降。如肋片數(shù)量為5 根時，不均勻度為3.3%，當肋片數(shù)量增加至8根，增幅為60%時，不均勻度減小至2.3%，降幅為30.3%；而當數(shù)量由8 根增加至12根，增幅為50%時，不均勻度由2.3%減小到2.0%，降幅僅為13.0%.這是由于隨著微熱管陣列散熱器肋片數(shù)量的增加，核心元器件IGBT 模塊表面與微熱管陣列的接觸區(qū)域面積增大，導熱加強，但隨之而來的是占用空間增多，對流換熱能力減弱。因此在相同肋片間距，綜合考慮占用空間和對流換熱能力的情況下，應(yīng)適當增加微熱管陣列散熱器的肋片數(shù)量，這樣不僅有利于提高光伏逆變器核心元器件IGBT 模塊的有效散熱能力，還有利于減少光伏逆變器中有限的空間占用率。

表2 不同肋片數(shù)量對溫度場的影響

3 結(jié)論

本文針對高原地區(qū)光伏逆變器散熱不均勻和散熱不及時的問題，通過將微熱管陣列運用于光伏逆變器核心發(fā)熱元器件IGBT 模塊的外殼表面，在設(shè)計了微熱管陣列散熱器的基礎(chǔ)上，采用對比分析的方法，研究了相同肋片數(shù)量、不同肋片間距的微熱管陣列散熱器對IGBT 模塊散熱性能和溫度場的影響，以及相同肋片間距、不同肋片數(shù)量對其散熱性能和溫度場的影響。并得到結(jié)論如下：

（1）在相同肋片數(shù)量、不同肋片間距的實驗條件下，當間距分別為：5mm、50mm 和80mm 時，光伏逆變器核心散熱元器件IGBT 模塊在加裝微熱管陣列散熱器后，其平均溫度分別下降：4.3℃、3.7℃和3.1℃，溫度下降比分別為：5.9%、5.1%和4.2%，微熱管陣列散熱器的肋片間距將影響其整體散熱性能，肋片間距越大，散熱性能越弱。且隨著肋片間距由5mm 增加至80mm，IGBT模塊的表面溫度的不均勻度由1.7%增大至2.6%，不均勻度呈線性上升，因此需適當減小微熱管陣列散熱器的肋片間距。

（2）在相同肋片間距、不同肋片數(shù)量的實驗條件下，當數(shù)量分別為：5根、8根和12 根時，光伏逆變器核心散熱元器件IGBT 模塊在加裝微熱管陣列散熱器后，其平均溫度分別下降：2.6℃、3.9℃和5.5℃，溫度下降比分別為：3.6%、5.3%和7.5%，相比肋片間距而言，肋片數(shù)量對微熱管陣列散熱器散熱性能的影響更大，且隨著其肋片數(shù)量的增長，其散熱性能將隨之線性提高。同時，隨著肋片數(shù)量由5 根增加到12 根，IGBT 模塊的表面溫度的不均勻度由3.3%減小至2.0%，不均勻度呈線性下降，因此需適當增加微熱管陣列散熱器的肋片數(shù)量。