田凱 ，王自滿 ，楚子林 ，俞智斌 ，袁媛 ，宋鵬

（1.天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津 300180；2.電氣傳動(dòng)國(guó)家工程研究中心，天津 300180；3.浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027）

隨著電力電子技術(shù)的蓬勃發(fā)展，大功率功率變流器得到了廣泛應(yīng)用[1]。中壓變流器內(nèi)的核心元件為IGCT晶體管和快恢復(fù)二極管組成的功率模塊，同時(shí)它們也是系統(tǒng)內(nèi)的主要熱損耗源，當(dāng)熱量累積發(fā)熱超過(guò)允許的最高結(jié)溫，將會(huì)嚴(yán)重影響功率模塊的使用性能和系統(tǒng)可靠性。研究表明，超過(guò)55%的電子設(shè)備失效是由溫度過(guò)高引起的[2]，功率半導(dǎo)體器件以21%的故障率成為變流器系統(tǒng)中最為脆弱的組成部分[3]。因此，對(duì)功率器件的結(jié)溫計(jì)算和保護(hù)控制研究至關(guān)重要。

此外，如何有效確定水冷散熱裝置熱阻也是IGCT結(jié)溫計(jì)算中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。常用的方法比如熱源測(cè)溫或仿真建模，文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]分別提出基于直接測(cè)試和icepak建模來(lái)測(cè)定水冷散熱器熱阻測(cè)定方法。這些方法都沒(méi)有考慮水冷散熱器多級(jí)串聯(lián)壓接條件下，由發(fā)熱功率實(shí)時(shí)變化的熱耦合效應(yīng)帶來(lái)的影響。另外功率器件損耗的實(shí)時(shí)計(jì)算和熱網(wǎng)絡(luò)模型的匹配，也對(duì)能否準(zhǔn)確計(jì)算功率器件結(jié)溫起到關(guān)鍵作用[6-7]。

本文為克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提出一種水冷系統(tǒng)建模及IGCT模塊結(jié)溫的計(jì)算方法，解決現(xiàn)有的IGCT模塊結(jié)溫計(jì)算中實(shí)時(shí)性不足、熱網(wǎng)絡(luò)模型不匹配及未考慮水冷系統(tǒng)中多級(jí)功率-發(fā)熱耦合對(duì)溫度分布影響而使得結(jié)溫的預(yù)測(cè)脫離實(shí)際應(yīng)用，導(dǎo)致預(yù)測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確的問(wèn)題[8]。

1 水冷散熱器模型

1.1 水冷散熱器結(jié)構(gòu)

IGCT水冷散熱器為雙面散熱設(shè)計(jì)，其內(nèi)部正反兩面由不銹鋼+鑄鋁合金的圓平面構(gòu)成，冷卻水先進(jìn)入一面不銹鋼水管，從外部螺旋漸進(jìn)至中心，再?gòu)闹行奶幜髦亮硪幻娌讳P鋼水管中心，最后再螺旋漸進(jìn)流出。散熱器內(nèi)部正反兩面是一個(gè)串聯(lián)的流道。因此像這種內(nèi)部水路串聯(lián)式散熱器正反兩面的散熱性能不同，冷卻水流入的一側(cè)散熱性能較好，冷卻水流出的一側(cè)散熱性能相對(duì)差一些。

水冷散熱器分解圖如圖1所示，在實(shí)際應(yīng)用中IGCT對(duì)外部冷卻水的熱阻由以下4部分組成：①I(mǎi)GCT管芯至管殼熱阻；②IGCT管殼至水冷散熱器表面熱阻；③散熱器表面至不銹鋼水管熱阻；④不銹鋼水管至冷卻水熱阻。

圖1 水冷散熱器分解圖Fig.1 Decomposition diagram of water-cooled heatsink

第①部分熱阻是IGCT產(chǎn)品自身特性，第②部分熱阻與散熱器表面光滑度以及接觸壓力有關(guān)，后兩部分熱阻可以通過(guò)散熱器自身設(shè)計(jì)來(lái)優(yōu)化改進(jìn)。

1.2 水冷散熱器參數(shù)提取

散熱器如按出水口、進(jìn)水口約定正反兩面，可劃分A面、B面。A面對(duì)應(yīng)出水口，其水溫較高，因此對(duì)應(yīng)熱阻較高；B面對(duì)應(yīng)進(jìn)水口，其水溫較低，因此對(duì)應(yīng)熱阻較低。由于散熱器A，B兩面散熱因素存在相互耦合，散熱器熱阻參數(shù)無(wú)法直接計(jì)算，因此本文提出對(duì)水冷散熱器采用“溫升-熱阻”耦合模型，如下式：

式中：TA，TB分別為散熱器A，B面溫升；PA，PB分別為熱源IGCT的發(fā)熱功率；RA，RB分別為散熱器A，B面的直接熱阻；RLA，RLB分別為散熱器A，B面的耦合熱阻。

若A面單獨(dú)散熱，則有：

若B面單獨(dú)散熱，則有：

若A，B兩面同時(shí)散熱，則溫升公式同式（1）。這樣就可以根據(jù)3組測(cè)定數(shù)據(jù)來(lái)整定出散熱器熱阻參數(shù)。

如圖2所示，對(duì)水冷散熱器A，B兩個(gè)表面各添加2 kW熱源，并對(duì)其兩個(gè)表面分別進(jìn)行3組數(shù)據(jù)測(cè)定：1）散熱器兩面各2 kW熱源，進(jìn)水溫度40℃，測(cè)出散熱器A面溫度83.5℃，B面溫度74.6℃。2）僅A面施加2 kW熱源，進(jìn)水溫度40℃，測(cè)出散熱器A面溫度72.2℃，B面溫度44.1℃。3）僅B面施加2 kW熱源，進(jìn)水溫度40℃，測(cè)出散熱器A面溫度51.3℃，B面溫度70.6℃。

圖2 水冷散熱器測(cè)定數(shù)據(jù)Fig.2 Measurement data of water-cooled heatsink

將測(cè)定數(shù)據(jù)代入熱阻模型可得：

解得RA=16.1 K/kW，RB=15.3 K/kW，進(jìn)一步代入式（3），求解得RLA=5.65 K/kW，RLB=2 K/kW。

由此可以根據(jù)上述原理，采用本文提出的水冷散熱器模型+測(cè)定數(shù)據(jù)計(jì)算該散熱器A面和B面（包含熱耦合）的實(shí)際熱阻。

2 器件損耗功率計(jì)算

2.1 IGCT導(dǎo)通損耗功率

IGCT的導(dǎo)通損耗與導(dǎo)通壓降、電阻率、導(dǎo)通電流有關(guān)，如下式：

式中：PT為IGCT導(dǎo)通功率；V(T0)為IGCT導(dǎo)通壓降；IT為流過(guò)IGCT的電流；rT為IGCT導(dǎo)通電阻。

2.2 IGCT開(kāi)關(guān)損耗功率

IGCT的開(kāi)關(guān)損耗由導(dǎo)通損耗和關(guān)斷損耗組成，它與開(kāi)關(guān)頻率、開(kāi)關(guān)時(shí)刻電流、直流母線電壓有關(guān)，如下式：

式中：Pon，Poff分別為IGCT折算到一個(gè)計(jì)算周期內(nèi)的導(dǎo)通功率和關(guān)斷功率；VD為直流母線電壓；Eon，Eoff分別為IGCT每次開(kāi)通、關(guān)斷損耗的能量；Ts為計(jì)算周期。

2.3 二極管的導(dǎo)通損耗功率

二極管的導(dǎo)通損耗與導(dǎo)通壓降、電阻率、導(dǎo)通電流有關(guān)，如下式：

式中：PF為二極管導(dǎo)通功率；IF為流過(guò)二極管的導(dǎo)通電流；VF0為二極管導(dǎo)通壓降；rF為二極管導(dǎo)通電阻。

2.4 二極管的開(kāi)關(guān)損耗功率

二極管的開(kāi)關(guān)損耗主要指關(guān)斷過(guò)程中的反向恢復(fù)損耗。該值與關(guān)斷電流、直流母線電壓、關(guān)斷電流變化速率有關(guān)，如下式：

式中：PDoff為二極管關(guān)斷損耗；di/dtcrit為二極管關(guān)斷電流變化速率；IFC為二極管關(guān)斷電流；VDC-Link是直流母線電壓；Err為二極管關(guān)斷能量。

實(shí)際應(yīng)用中，二極管關(guān)斷能量與關(guān)斷電流變化速率、關(guān)斷電流呈非線性關(guān)系，因此需要先根據(jù)主回路拓?fù)浯_定出關(guān)斷電流變化率。在此基礎(chǔ)上，再根據(jù)器件廠家給出的數(shù)據(jù)表設(shè)計(jì)關(guān)斷能量與關(guān)斷電流的相關(guān)非線性處理函數(shù)，更準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)二極管開(kāi)關(guān)損耗計(jì)算。

3 系統(tǒng)熱路模型

3.1 模型參數(shù)轉(zhuǎn)換

IGCT手冊(cè)中給出的熱參數(shù)是根據(jù)一種數(shù)學(xué)上的等效Foster熱網(wǎng)絡(luò)模型，不像Cauer熱網(wǎng)絡(luò)模型具有實(shí)際的物理意義（參見(jiàn)圖3）。因此在使用IGCT的Foster模型參數(shù)在與水冷散熱器等效的Cauer熱模型級(jí)聯(lián)應(yīng)用時(shí)，還需要將其進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理。

圖3 Foster和Cauer熱網(wǎng)絡(luò)模型Fig.3 Foster and Cauer thermal network model

由上述方法將IGCT的Foster模型轉(zhuǎn)換為Cauer模型，再與散熱器參數(shù)的Cauer模型級(jí)聯(lián)，最后再統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為易于計(jì)算的多級(jí)Foster模型。

3.2 熱路系統(tǒng)

由圖4熱路模型得出：

圖4 系統(tǒng)熱路模型Fig.4 System thermal model

4 仿真分析

為驗(yàn)證水冷散熱器特征值提取模型方法的有效性，如圖5所示，用4個(gè)IGCT熱源+5個(gè)水冷散熱器串聯(lián)壓接組成系統(tǒng)進(jìn)行仿真對(duì)比。

圖5 系統(tǒng)熱仿真Fig.5 System thermal simulation

通過(guò)專業(yè)熱仿真軟件對(duì)系統(tǒng)組件進(jìn)行了整體熱仿真，得到各個(gè)發(fā)熱源的溫度；再采用模型計(jì)算方法提取熱阻特征值，將其代入數(shù)值計(jì)算軟件計(jì)算出各個(gè)發(fā)熱源的溫度，最后將兩者數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，參見(jiàn)表1。

表1 數(shù)值計(jì)算與熱仿真結(jié)果對(duì)比Tab.1 Comparison between calculation and simulation results

從表1仿真結(jié)果對(duì)比可知：散熱器1～散熱器5的上、下面溫度數(shù)值計(jì)算與熱仿真誤差-0.22～1.21℃，說(shuō)明散熱器表面溫度用上述模型計(jì)算精度較高，與整體熱仿真結(jié)果幾乎完全一致；熱源1～熱源4用數(shù)值計(jì)算方法比專業(yè)熱仿真軟件整體仿真高了1.77～2.35℃，這是因?yàn)橛?jì)算模型里面疊加的是散熱器中心點(diǎn)溫度，略高于系統(tǒng)熱仿真中散熱器實(shí)際接觸面的平均溫度，也符合預(yù)期。

上述對(duì)比結(jié)果表明本文提出的水冷散熱器串聯(lián)壓接系統(tǒng)的建模方法正確且精度較高。

5 結(jié)論

本文提出的水冷散熱器雙面散熱耦合模型考慮了進(jìn)出水溫差異及水路差異的影響，通過(guò)測(cè)定水冷散熱器正反兩面發(fā)熱功率及正反兩面溫升和單面散熱溫升，計(jì)算出正反兩面直接熱阻和正反兩面耦合熱阻。最后通過(guò)仿真對(duì)比結(jié)果說(shuō)明該模型準(zhǔn)確，且計(jì)算簡(jiǎn)單有效。

給出IGCT瞬態(tài)功耗計(jì)算和熱網(wǎng)絡(luò)模型級(jí)聯(lián)轉(zhuǎn)換公式，將參數(shù)轉(zhuǎn)換后代入水冷系統(tǒng)n級(jí)串聯(lián)壓接散熱模型計(jì)算，可對(duì)功率器件溫升精確估計(jì)，且易于軟件編程實(shí)現(xiàn)。