直流变压器用散热器数值模拟与优化

引言

随着半导体器件技术的高速发展,电力电子装置正朝着大容量、高可靠性的方向发展,而其中电力电子功率器件安全可靠地工作显得尤为重要。电力电子功率器件在工作时要消耗大量的能量,这部分能量转化为热能,使得器件的温度上升。当器件工作时的结温Tj大于最大允许结温Tjmax时,元器件就不能安全可靠地运行,从而带来一系列严重的后果,造成巨大的损失。所以,电力电子器件的散热设计在电力电子装置的研制中具有举足轻重的作用。

电力电子变压器是一种将电力电子变换技术和基于电磁感应原理的电能变换技术相结合,实现将一种电力特征的电能转变为另一种电力特征的电能的电力设备。将电力电子变压器应用于直流电网中时,就称为直流变压器。本文针对直流变压器功率单元中的散热器进行数值模拟,研究散热器基板厚度、翅片长度以及厚度等因素对散热器表面温升的影响,从而进行散热器的优化设计,获得散热器的最优参数,为电力电子装置直流变压器安全可靠地运行提供理论和实践依据。

1散热设计

1.1散热原理及散热方式的选择

热量传递主要包含三种方式:导热、对流和辐射换热。一般来说,电力电子装置的散热通常伴随两种或三种方式一起进行。如功率器件通过导热将热量传导到散热器上。散热器的热量通过对流传到机柜外:同时,辐射也将一部分热量传导出去。目前,电力电子装置中常用的散热方式为:自然冷却(包含导热、对流以及辐射换热)、强迫风冷、强迫水冷。

一般来说,整个装置散热方式的选择主要根据功率器件的热流密度以及整个装置的温升要求来进行。表1列出了不同冷却方式对应的换热系数,以及温升40C下对应的热流密度[6]。从成本因素、可靠性要求、功率等级以及工作环境等条件综合考虑,本装置采用强迫风冷的散热形式。

1.2散热器热阻的计算

IGBT安装在散热器上,通过散热器对外传导热量,在一定的使用条件下,就构成了图1所示的热路图。

图中,Tjmax为功率器件最大允许结温(C):Ri为功率器件的内阻(C/w):Tc为功率器件壳温(C):Rc为器件与散热器表面的接触热阻(C/w):Tf为散热器温度(C):Rf为散热器的热阻(C/w):Ta为使用环境温度(C)。

根据图1,计算总热阻的公式为:

根据选用的IGBT模块的型号FF600R17ME4的总损耗及其他器件的损耗,从而算出散热器的最大允许热阻。根据最大允许热阻,查资料并根据结构设计最大允许空间等条件,确定散热器的初始设计长、宽、高分别为450mmx90mmx260mm。

1.3仿真参数的设置

本装置采用模块化设计,每个机柜中放置若干个功率单元,结构紧凑,可靠性高。每个功率单元中,主要发热器件为IGBT模块以及均压电阻。IGBT模块的损耗来源于内部的IGBT芯片和二极管芯片的损耗。一个散热器上放置两个IGBT模块以及两个均压电阻,每个IGBT模块的损耗约为700w,每个均压电阻的损耗为40w。为了保证仿真精度,必须合理地设置仿真参数。仿真参数设置如下:初始散热器的长、宽、高分别为450mmx90mm×260mm,散热器的材质为铝,导热系数为200w/(m·k),基板的厚度为10mm,翅片的长度为80mm,翅片的数量为30,厚度为1mm。其他边界条件为:环境温度为40C,进口风速为4m/s,忽略辐射换热。散热器的结构布局图与仿真计算模型如图2所示。

2热仿真计算

根据上述边界条件,对散热器进行热仿真模拟,得到散热器表面的最大温升为75℃,温度云图如图3所示。温升最大点在靠近出风口的第二个1GBT处。从仿真结果看,散热器的温升较大,不符合设计要求。所以要对散热器的各项参数进行优化,提高散热器的散热能力。下面从基板厚度、翅片数量、翅片厚度三个方面进行仿真优化。在仿真的过程中,固定其他两个参数及边界条件,优化单一参数,从而获得散热器最佳的参数设置。同时,还需考虑散热器的重量以及加工等影响因素。

图3散热器初始设计仿真温度云图

2.1基板厚度对温升的影响

在设置翅片数量、翅片厚度以及边界条件不变的情况下,基板厚度从10mm起以5mm的幅度增长并进行仿真模拟,得到散热器表面最大温升以及重量如图4所示。从图4的仿真数据来看,当基板的厚度增大时,散热器表面的温升在不断降低,当基板厚度增加到25mm以后,温升下降的趋势变缓。然而随着基板厚度的增大,散热器的质量也在不断增大。而散热器质量的增大将导致安装维护的困难以及散热器成本的上升。所以,综合考虑,将散热器基板的厚度选为25mm,此时散热器表面温度云图如图5所示。

图4散热器表面最大温升以及重量随基板厚度变化图

图5基板厚度为25mm时散热器温度云图

2.2翅片数量对温升的影响

在设置基板厚度为25mm,翅片厚度以及边界条件不变的情况下,翅片数量从30逐渐增加到60。根据仿真模拟,得到散热器表面最大温升结果如图6所示。从仿真结果可以看出,随着翅片数量的增加,散热器表面的温升呈下降趋势,当翅片数量为50左右时,下降的趋势逐渐减缓。所以选择散热器翅片数量的最优参数为52,此时散热器表面温度云图如图7所示。

图6散热器表面温升随翅片数量变化图

图7翅片数量为52时散热器表面温度云图

2.3翅片厚度对温升的影响

当优化基板厚度为25mm,翅片数量为52时,使翅片的厚度从1mm增加到3mm,根据仿真模拟,得到散热器表面最大温升结果如图8所示。从仿真结果来看,随着翅片厚度的增加,散热器表面温升不断减小,但减小程度相对于基板厚度以及翅片数量的影响程度偏小。虽然随着翅片厚度的增加,散热器表面的温升能够降低,但随着翅片厚度的增加,翅片间隔变小,随之而来的是系统内压力、流速以及重量的增大,进而增加系统的噪声以及风扇的容量。所以,综合考虑,翅片的厚度设置为2mm,此时散热器表面温度云图如图9所示。

3结语

通过对散热器的基板厚度、翅片数量及翅片厚度三个因素的仿真优化,得到了直流变压器用风冷散热器的最优设计:基板厚度为25mm,翅片数量为5m,翅片厚度为mmm,最大温升从25℃下降到38℃,达到了优化的目的。

本文根据仿真模拟,研究了基板厚度、翅片数量及翅片厚度三个因素对散热器表面最大温升的影响趋势。其中,基板厚度和翅片数量对温升的影响较大,而翅片厚度对温升的影响较小。在工程运用中,需考虑结构设计、重量以及加工等因素,从而获得最优的散热器设计参数及方案。