直流變壓器用散熱器數(shù)值模擬與優(yōu)化

時間：2022-07-18 23:48:13

關鍵字：散熱器傳熱數(shù)值模擬

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[導讀]摘要:以直流變壓器用散熱器為研究對象,利用數(shù)值模擬對散熱器進行建模仿真,研究散熱器基板厚度、翅片數(shù)量、翅片厚度三個因素對散熱器表面溫升的影響規(guī)律,從而獲得散熱器的最優(yōu)設計。結果表明:當基板厚度為25mm、翅片數(shù)量為52、翅片厚度為2mm時,散熱器表面的最高溫升較初始設計方案下降了約50%。

引言

隨著半導體器件技術的高速發(fā)展,電力電子裝置正朝著大容量、高可靠性的方向發(fā)展,而其中電力電子功率器件安全可靠地工作顯得尤為重要。電力電子功率器件在工作時要消耗大量的能量,這部分能量轉化為熱能,使得器件的溫度上升。當器件工作時的結溫Tj大于最大允許結溫Tjmax時,元器件就不能安全可靠地運行,從而帶來一系列嚴重的后果,造成巨大的損失。所以,電力電子器件的散熱設計在電力電子裝置的研制中具有舉足輕重的作用。

電力電子變壓器是一種將電力電子變換技術和基于電磁感應原理的電能變換技術相結合,實現(xiàn)將一種電力特征的電能轉變?yōu)榱硪环N電力特征的電能的電力設備。將電力電子變壓器應用于直流電網(wǎng)中時,就稱為直流變壓器。本文針對直流變壓器功率單元中的散熱器進行數(shù)值模擬,研究散熱器基板厚度、翅片長度以及厚度等因素對散熱器表面溫升的影響,從而進行散熱器的優(yōu)化設計,獲得散熱器的最優(yōu)參數(shù),為電力電子裝置直流變壓器安全可靠地運行提供理論和實踐依據(jù)。

1散熱設計

1.1散熱原理及散熱方式的選擇

熱量傳遞主要包含三種方式:導熱、對流和輻射換熱。一般來說,電力電子裝置的散熱通常伴隨兩種或三種方式一起進行。如功率器件通過導熱將熱量傳導到散熱器上。散熱器的熱量通過對流傳到機柜外:同時,輻射也將一部分熱量傳導出去。目前,電力電子裝置中常用的散熱方式為:自然冷卻(包含導熱、對流以及輻射換熱)、強迫風冷、強迫水冷。

一般來說,整個裝置散熱方式的選擇主要根據(jù)功率器件的熱流密度以及整個裝置的溫升要求來進行。表1列出了不同冷卻方式對應的換熱系數(shù),以及溫升40C下對應的熱流密度[6]。從成本因素、可靠性要求、功率等級以及工作環(huán)境等條件綜合考慮,本裝置采用強迫風冷的散熱形式。

1.2散熱器熱阻的計算

IGBT安裝在散熱器上,通過散熱器對外傳導熱量,在一定的使用條件下,就構成了圖1所示的熱路圖。

圖中,Tjmax為功率器件最大允許結溫(C):Ri為功率器件的內(nèi)阻(C/w):Tc為功率器件殼溫(C):Rc為器件與散熱器表面的接觸熱阻(C/w):Tf為散熱器溫度(C):Rf為散熱器的熱阻(C/w):Ta為使用環(huán)境溫度(C)。

根據(jù)圖1,計算總熱阻的公式為:

根據(jù)選用的IGBT模塊的型號FF600R17ME4的總損耗及其他器件的損耗,從而算出散熱器的最大允許熱阻。根據(jù)最大允許熱阻,查資料并根據(jù)結構設計最大允許空間等條件,確定散熱器的初始設計長、寬、高分別為450mmx90mmx260mm。

1.3仿真參數(shù)的設置

本裝置采用模塊化設計,每個機柜中放置若干個功率單元,結構緊湊,可靠性高。每個功率單元中,主要發(fā)熱器件為IGBT模塊以及均壓電阻。IGBT模塊的損耗來源于內(nèi)部的IGBT芯片和二極管芯片的損耗。一個散熱器上放置兩個IGBT模塊以及兩個均壓電阻,每個IGBT模塊的損耗約為700w,每個均壓電阻的損耗為40w。為了保證仿真精度,必須合理地設置仿真參數(shù)。仿真參數(shù)設置如下:初始散熱器的長、寬、高分別為450mmx90mm×260mm,散熱器的材質為鋁,導熱系數(shù)為200w/(m·k),基板的厚度為10mm,翅片的長度為80mm,翅片的數(shù)量為30,厚度為1mm。其他邊界條件為:環(huán)境溫度為40C,進口風速為4m/s,忽略輻射換熱。散熱器的結構布局圖與仿真計算模型如圖2所示。

2熱仿真計算

根據(jù)上述邊界條件,對散熱器進行熱仿真模擬,得到散熱器表面的最大溫升為75℃,溫度云圖如圖3所示。溫升最大點在靠近出風口的第二個1GBT處。從仿真結果看,散熱器的溫升較大,不符合設計要求。所以要對散熱器的各項參數(shù)進行優(yōu)化,提高散熱器的散熱能力。下面從基板厚度、翅片數(shù)量、翅片厚度三個方面進行仿真優(yōu)化。在仿真的過程中,固定其他兩個參數(shù)及邊界條件,優(yōu)化單一參數(shù),從而獲得散熱器最佳的參數(shù)設置。同時,還需考慮散熱器的重量以及加工等影響因素。

圖3散熱器初始設計仿真溫度云圖

2.1基板厚度對溫升的影響

在設置翅片數(shù)量、翅片厚度以及邊界條件不變的情況下,基板厚度從10mm起以5mm的幅度增長并進行仿真模擬,得到散熱器表面最大溫升以及重量如圖4所示。從圖4的仿真數(shù)據(jù)來看,當基板的厚度增大時,散熱器表面的溫升在不斷降低,當基板厚度增加到25mm以后,溫升下降的趨勢變緩。然而隨著基板厚度的增大,散熱器的質量也在不斷增大。而散熱器質量的增大將導致安裝維護的困難以及散熱器成本的上升。所以,綜合考慮,將散熱器基板的厚度選為25mm,此時散熱器表面溫度云圖如圖5所示。

圖4散熱器表面最大溫升以及重量隨基板厚度變化圖

圖5基板厚度為25mm時散熱器溫度云圖

2.2翅片數(shù)量對溫升的影響

在設置基板厚度為25mm,翅片厚度以及邊界條件不變的情況下,翅片數(shù)量從30逐漸增加到60。根據(jù)仿真模擬,得到散熱器表面最大溫升結果如圖6所示。從仿真結果可以看出,隨著翅片數(shù)量的增加,散熱器表面的溫升呈下降趨勢,當翅片數(shù)量為50左右時,下降的趨勢逐漸減緩。所以選擇散熱器翅片數(shù)量的最優(yōu)參數(shù)為52,此時散熱器表面溫度云圖如圖7所示。

圖6散熱器表面溫升隨翅片數(shù)量變化圖

圖7翅片數(shù)量為52時散熱器表面溫度云圖

2.3翅片厚度對溫升的影響

當優(yōu)化基板厚度為25mm,翅片數(shù)量為52時,使翅片的厚度從1mm增加到3mm,根據(jù)仿真模擬,得到散熱器表面最大溫升結果如圖8所示。從仿真結果來看,隨著翅片厚度的增加,散熱器表面溫升不斷減小,但減小程度相對于基板厚度以及翅片數(shù)量的影響程度偏小。雖然隨著翅片厚度的增加,散熱器表面的溫升能夠降低,但隨著翅片厚度的增加,翅片間隔變小,隨之而來的是系統(tǒng)內(nèi)壓力、流速以及重量的增大,進而增加系統(tǒng)的噪聲以及風扇的容量。所以,綜合考慮,翅片的厚度設置為2mm,此時散熱器表面溫度云圖如圖9所示。