鄧南輝 王 鶴 王 鋒 肖 旭

（中機(jī)國(guó)際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 旋轉(zhuǎn)動(dòng)力測(cè)控技術(shù)研究中心，長(zhǎng)沙 413000）

隨著變頻器逐漸取代大型發(fā)電機(jī)機(jī)組，小功率風(fēng)冷因功率密度小、外形尺寸大往往無法滿足工業(yè)上小尺寸、大功率密度的要求。因此，高功率密度變頻器的需求越來越大。絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）和二極管作為變頻器最主要的元器件，其功率密度增大會(huì)導(dǎo)致IGBT和二極管由原來的風(fēng)冷變成水冷。計(jì)算水冷散熱器所需的水流量常采用估算方式，但無法精確計(jì)算IGBT和二極管運(yùn)行的最高結(jié)溫以及多IGBT和二極管間的最小安裝距離。

近年來，許多科研工作人員和公司正在大力研究高密度水冷變頻器的散熱器。2019年，蘭州交通大學(xué)劉國(guó)鵬提出一種帶翅片的水冷散熱器，并仿真與優(yōu)化了翅片的不同間距[1]。2020年，潘政薇等提出優(yōu)化水冷散熱機(jī)箱流道中翅片成流線型分布，可提高散熱效率[2]。2020年，高鳳良等利用仿真驗(yàn)證了IGBT安裝水冷散熱器的水冷方案，仿真了散熱器結(jié)構(gòu)[3]。2020年，李學(xué)文等針對(duì)大功率水冷二極管提出瞬態(tài)仿真和優(yōu)化方法，確定了瞬態(tài)條件下二極管最小使用數(shù)量[4]。2021年，石建光等研究電機(jī)控制器IGBT模塊水冷散熱器的肋片結(jié)構(gòu)形式、數(shù)目和厚度對(duì)散熱器性能的影響[5]。以上研究大部分基于散熱器本身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，忽略了多IGBT串并聯(lián)和IGBT間距之間的優(yōu)化。

實(shí)際使用水冷散熱器時(shí)，相關(guān)人員無法快速準(zhǔn)確計(jì)算水量。通過三電平拓?fù)浜凸ぷ髦朴?jì)算每個(gè)IGBT模塊和二極管的熱損，通過仿真平臺(tái)相互校驗(yàn)熱損計(jì)算準(zhǔn)確性，通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算所需水流量，通過仿真分析水流量是否滿足要求優(yōu)化IGBT的間距，使得變頻器結(jié)構(gòu)在滿足散熱和電氣要求的前提下結(jié)構(gòu)更加緊湊，有利于降低成本。

1 三電平單元原理及其布局

1.1 單元圖拓?fù)?/h3>

基于3 300 V、600 A水冷三電平單元進(jìn)行分析，可得到三電平單元拓?fù)鋱D，如圖1所示。整個(gè)單元主要由放電電阻、母線電容、母線尖峰吸收電容、二極管、IGBT模塊、電阻電容（Resistor Capacitance，RC）吸收電阻、RC吸收電容、交流電流傳感器、水冷散熱器、控制器以及其他采樣原件組成。

三電平單元的主要發(fā)熱元件為IGBT模塊、二極管模塊和電阻。其他元器件的發(fā)熱量遠(yuǎn)小于主要發(fā)熱元件，通過自然冷卻即可滿足散熱要求。因此，這里對(duì)其他發(fā)熱元件發(fā)熱忽略不計(jì)。

1.2 模塊結(jié)構(gòu)布局

根據(jù)三電平電氣參數(shù)，這里的三電平單元IGBT模塊選擇SEMIKRON的FZ1200R45KL3_B5，外形尺寸為190 mm×149 mm×48 mm（長(zhǎng)×寬×高）。二極管模塊選擇SEMIKRON的DD1200S45KL5_B5模塊，外形尺寸為130 mm×140 mm×48 mm（長(zhǎng)×寬×高），電阻運(yùn)行功率為400 W。模塊初始結(jié)構(gòu)布局如圖2所示，整體安裝在600 mm×522 mm× 20 mm（長(zhǎng)×寬×高）的水冷散熱板上。IGBT模塊距離水冷散熱器上下邊界為39.5 mm，IGBT模塊間距離為60 mm，二極管模塊間距為60 mm。

圖2 模塊布局圖

2 熱損計(jì)算和水冷參數(shù)計(jì)算

2.1 熱損計(jì)算

三電平逆變器的4個(gè)IGBT管組成3種不同的組合，分別對(duì)應(yīng)3種不同的電位輸出。當(dāng)V1、V2導(dǎo)通時(shí)，輸出電平為2 600 V；當(dāng)D1、V2導(dǎo)通時(shí)，輸出電平為0 V；當(dāng)V3、V4導(dǎo)通時(shí)，輸出電平為-2 600 V[6]。 IGBT模塊由IGBT單元和反并聯(lián)續(xù)流二極管（Free Wheeling Diode，F(xiàn)WD）單元組成，而模塊的熱損Ptotal由IGBT單元損耗PIGBT和二極管單元損耗PFWD兩部分組成。器件的損耗分為靜態(tài)損耗、開關(guān)損耗和驅(qū)動(dòng)損耗。其中：靜態(tài)損耗分為通態(tài)損耗和截止損耗；開關(guān)損耗分為開通損耗和關(guān)斷損耗。

IGBT的截止損耗和驅(qū)動(dòng)損耗所占的比例較小，可以忽略不記。所以，IGBT單元損耗主要由通態(tài)損耗Pss和開關(guān)損耗Psw組成。對(duì)于續(xù)流二極管FWD，截止損耗和開通損耗功率較小，可以忽略。因此，F(xiàn)WD的主要單元損耗由通態(tài)損耗PDC和反向恢復(fù)損耗功率PRR組成，其計(jì)算公式為

式中：Ptotal為IGBT模塊總損耗；PIGBT為IGBT單元損耗；PFWD為二極管單元損耗；Pss為IGBT的單元通態(tài)損耗；Psw為IGBT開關(guān)損耗；PDC為二極管單元通態(tài)損耗；PRR為二極管單元反向恢復(fù)損耗。

根據(jù)圖1電路中各元器件的工作時(shí)間和開通占空比，可以推導(dǎo)V1、V2、V3、V4、D5以及D6器件相對(duì)應(yīng)的損耗。

V1和V4對(duì)稱，通態(tài)損耗功率為

式中：D(t)為占空比；M為調(diào)制度；φ為功率因數(shù)角；UCE為通態(tài)壓降；IC為集極電流；Uon_T為IGBT門檻電壓；ron_T為IGBT等效導(dǎo)通電阻；Io為輸出正弦電流峰值。

由于V1和V4對(duì)稱，其中的IGBT單元開關(guān)損耗功率相等，表達(dá)式為

式中：fc為調(diào)制波頻率；UD為輸入直流電壓；UN為廠商測(cè)試開關(guān)損耗時(shí)器件的耐壓；a、b、c、d、e、f分別為開通損耗、關(guān)斷損耗與IC關(guān)系曲線的二次函數(shù)擬合常數(shù)。

由于V2和V3對(duì)稱，則其中的IGBT單元通態(tài)損耗功率相等，表達(dá)式為

由于V2和V3對(duì)稱，則開關(guān)損耗功率相等，表達(dá)式為

對(duì)于V1、V2、V3、V4的二極管，D5、D6的通態(tài)損耗為

式中：Uon_D為FWD的門檻電壓；UF為二極管兩端電壓；IF為流經(jīng)二極管的電流。

對(duì)于V1、V2、V3、V4的二極管，D5、D6的關(guān)斷損耗為

三電平參數(shù)如表1所示。結(jié)合式（1）～式（7）和表1的 參 數(shù)，運(yùn) 用MATLAB求 解，得V1～V4、D5、D6在3 300 V、600 A輸出條件下的熱損。這里IGBT和二極管選用SEMIKRON公司的元件，通過SEMIKRON公司官網(wǎng)提供的熱損計(jì)算仿真軟件，對(duì)比MATLAB計(jì)算熱損和SEMIKRON仿真熱損，確保前期熱損值計(jì)算準(zhǔn)確，計(jì)算結(jié)果如表2所示。其中，I表示IGBT模塊中的IGBT單元，D表示IGBT模塊中的二極管單元。

表1 三電平拓?fù)漭斎雲(yún)?shù)表

表2 MATLAB計(jì)算和SEMIKRON官網(wǎng)熱損計(jì)算對(duì)比 單位：W

由表2可知，SEMIKRON官網(wǎng)仿真計(jì)算的損耗功率比MATLAB計(jì)算的損耗功率略小，且誤差很小。這里選取SEMIKRON官網(wǎng)仿真所得的熱損進(jìn)行下一步仿真計(jì)算。

選取V1/V4總功率損耗為3 593.14 W，V2/V3總功率損耗為781.27，D5/D6總功率損耗為1 022.42 W。 另外，電阻功率為400 W。

2.2 所需水流量估算

通過水流量估算公式計(jì)算本單元所需的水量，并將計(jì)算的水流量應(yīng)用于后續(xù)仿真，驗(yàn)證計(jì)算的水流量是否滿足要求。

水流量估算公式為

式中：Q為熱量，J；c為熱量，J·kg-1·℃-1；m為液冷所需的液體質(zhì)量，kg；ΔT為進(jìn)出口水溫差，℃。

仿真計(jì)算的熱損為功率，單位為kW，需要轉(zhuǎn)化成為熱量，轉(zhuǎn)化公式為

式中：P為發(fā)熱元件的總熱損，W；ρ為液體密度，kg·m-3；V為1 h所需的液體體積，L。將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式（8），根據(jù)經(jīng)驗(yàn)ΔT取10 ℃，得出所需的水流量為18.85 L·min-1。為了保持余量，這里選用20 L·min-1的水流量用于仿真。

3 FLOTHERM熱仿真分析

選用20 L·min-1的水流量用于仿真，V1/V4的IGBT模塊總損耗功率為3 593.14 W，V2/V3的IGBT模塊總損耗功率為781.27 W，D5/D6的二極管模塊總損耗為1 022.42 W，電阻功率為2 400 W。仿真分析的環(huán)境條件為55 ℃的環(huán)境溫度和35 ℃的水溫。

3.1 仿真建模

將各個(gè)模塊的總熱損賦予每個(gè)模塊，并賦值所需的水流量，可得到仿真模型如圖3所示。

圖3 FLOTHERM仿真模型

為了減少軟件運(yùn)行的計(jì)算量，對(duì)模塊進(jìn)行方塊化處理，同時(shí)散熱器原本直徑為12.7 mm的內(nèi)圓簡(jiǎn)化成11.25 mm×11.25 mm的正方形截面流道。簡(jiǎn)化后，流道截面積相同。

3.2 仿真結(jié)果

V1、V2、V3、V4穩(wěn)態(tài)結(jié)溫的仿真結(jié)果如圖4所示，其中V1的結(jié)溫最高，約為93.5 ℃，V4結(jié)溫約為88.9 ℃。 V1、V2、V3、V4最高結(jié)溫可達(dá)175.0 ℃。ΔT為10.0 ℃ 時(shí)，選取的水流量滿足元器件散熱要求，且裕量較為充足。元器件溫度分布云圖如圖5所示，進(jìn)出口水溫如圖6所示，進(jìn)出口壓強(qiáng)如圖7所示。由圖6可知，仿真時(shí)進(jìn)口水溫為35.0 ℃，出口水溫為44.3 ℃，溫差為9.3 ℃。通過仿真計(jì)算可知，當(dāng)進(jìn)出口壓強(qiáng)差約為3.57×104Pa時(shí)，可滿足壓強(qiáng)要求?？梢?，一般常用變頻器用水壓強(qiáng)為0.3 MPa時(shí)，可滿足壓強(qiáng)要求。

圖4 V1～V4穩(wěn)態(tài)結(jié)溫

圖5 元器件溫度分布云圖

圖6 進(jìn)出口水溫

4 模塊間距優(yōu)化分析

優(yōu)化IGBT和二極管模塊的間距，通過調(diào)整間距進(jìn)一步緊湊結(jié)構(gòu)，降低成本。通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)（Design Of Experiment，DOE）分析，計(jì)算不同間距下IGBT和二極管的結(jié)溫。由于V1的結(jié)溫最高，當(dāng)在最小間距下、V1結(jié)溫小于120 ℃時(shí)即可確保模塊長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。不同IGBT間距下V1的結(jié)溫如表3所示。

表3 不同IGBT間距下V1的結(jié)溫

通過調(diào)整間距發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水流量保持20 L·min-1不變時(shí)，模塊最小間距約為10 mm，極大提高了結(jié)構(gòu)的緊湊性。

5 結(jié)論

通過對(duì)該3 300 V、600 A水冷三電平進(jìn)行熱損計(jì)算和熱仿真分析，可得如下結(jié)論。

（1）SEMIKRON官網(wǎng)仿真比實(shí)際運(yùn)行仿真時(shí)的熱損偏小，誤差在可接受范圍，驗(yàn)證了SEMIKRON官網(wǎng)計(jì)算的準(zhǔn)確性。

（2）當(dāng)所需水流量估用溫差為10 ℃時(shí)，估算的水流量滿足熱設(shè)計(jì)要求，且存在一定的裕量，此時(shí)進(jìn)出口壓差約為3.57×104Pa，進(jìn)出口水溫差約為9.3 ℃。可見，當(dāng)設(shè)計(jì)變頻器所需工作壓強(qiáng)為0.3 MPa時(shí)，可滿足壓強(qiáng)要求。

（3）通過優(yōu)化仿真分析可知，模塊間的間距最小約為10 mm，比原始模塊間距60 mm的結(jié)構(gòu)更加緊湊，可進(jìn)一步降低成本。