电压源换流器用水冷散热器的数值模拟与优化

引言

随着半导体器件及控制技术的高速发展,新型半导体器件绝缘栅双极晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor,IGBT)在电力电子装置中获得了广泛的运用。如柔性直流输电技术采用的换流元件是既可以控制导通又可以控制关断的双向可控电力电子器件,其典型代表是IGBT。IGBT在开关工作中要消耗大量的能量,这部分能量会转化为热能,使IGBT的温度升高。美国空军航空电子完整计划曾对所有芯片的失效原因做过分析,如IGBT等功率器件以及电子设备55%的失效原因是温度过高。所以,就必须利用热传递特性对功率器件采用合适的冷却技术,对它们的温升进行控制,从而保证电力电子装置或系统正常、可靠地工作。

目前,电力电子装置中常用的散热方式为自然冷却、强迫风冷、强迫水冷、油冷等四种。强迫风冷的散热效果是自然风冷的5~10倍,油冷或水冷的散热效果是自然冷却的120~150倍。风冷比水冷有着结构简单、实现容易等优点,但系统庞大并且风机噪声较大:水冷系统散热效率最高,并且没有油冷带来的污染问题。所以,综合噪声和体积,本装置采用水冷的散热形式。

1水冷散热器的设计

1.1散热原理

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方式通常伴随两种或三种方式一起进行,如水冷散热系统,就包含了导热和对流两个过程。功率器件通过导热将热量传导到散热器上,热量通过散热器被冷却液带走。水冷系统原理图如图1所示。

热传导是指同一介质或不同介质间由于温差产生的传热现象。热传导的表达式为:

式中,Q为热传导换热量(w):入为材料的导热系数[w/(m2·℃)]:A为垂直于导热方向的截面积(m2):d1/d%为沿等温面法线方向的温度梯度:负号表示热量传递的方向与温度梯度相反。

对流换热是指由于流体的宏观运动而引起流体各部分之间发生相对位移,冷、热流体相互掺混所导致的热量传递过程。用牛顿冷却公式表达如下:

式中,Q为对流换热量(w):hc为对流换热系数[w/(m2·℃)]:A为壁面的有效对流换热面积(m2):1w为固体表面的温度(℃):1f为冷却流体的温度(℃)。

1.2水冷散热器的流量计算

在水冷系统中,冷却液流量是重要的指标之一。根据对流换热表达式,在发热量不变的情况下,流量越大,对流换热系数hc越大,功率器件的表面温度越低,散热效果越好。但流量并不能无限制地增大,因为整个系统的压力是随流量的指数形式成正比增加,所以水冷系统的压力限制了流量的取值上限。冷却液流量的大小取决于发热器件的功率以及冷却液的进出口温升,由下列方程式来决定:

式中,Qv为流量(L/s):P为功率器件的热损耗(w):Cp为冷却液的比热[kJ/(kg·℃)]:y为冷却液的密度(kg/m3):A1为冷却液的温升(℃)。

取循环冷却液的进、出口温度差为A1=8℃,冷却液为纯水。25℃时水的比热容Cp=4.186kJ/(kg·℃),y=996kg/m3,水冷散热器功率器件总损耗为1.5kw。根据上式计算可得Qv=2.7L/min。上述计算未考虑辐射换热。

1.3水冷散热器的结构设计

本装置采用模块化级联式设计,每个机柜中放置若干个水冷功率单元,结构紧凑。每个水冷功率单元中放置一个水冷散热器,水冷散热器的长、宽、高分别为475mm×180mm×30mm,进出水口在水冷散热器的同侧,间隔300mm。主要发热器件为IGBT模块以及均压电阻。水冷散热器正面放置两个IGBT模块(型号为FF600R17ME4),背面布置两个均压电阻。IGBT模块放置于水冷散热器的中央,两个IGBT模块之间的间隔为70mm。水冷散热器的流道为串联S型流道,水路只有一条主通路,但在每个IGBT基板下的水道中设置了8条分流道，用来增加流速,减小此处的温升。水冷散热器的结构布局与水道的结构如图2所示。

(a)水冷散热器的结构布局图(b)水道的结构模型图2散热器的结构布局图以及仿真计算模型

1.4仿真参数的设置

水冷功率单元中,主要发热器件为1GBT模块以及均压电

阻。1GBT模块的损耗来源于内部的1GBT芯片和二极管芯片的损耗。每个1GBT模块的损耗约为710w,每个均压电阻的损耗为40w。仿真边界条件设置如下:将整个水冷散热器以及功率器件作为整个模拟区域。水冷散热器的外形尺寸为475mm×180mm×30mm,水冷散热器材质为铝,冷却介质为纯水,环境温度设为40℃,进水温度为45℃。进水流量设置为3L/min。为了减少仿真的计算量,加快仿真速度,在保证精度的前提下,要对仿真模型进行合理地优化。本次仿真忽略了1GBT驱动板等发热功率较小的器件,忽略了1GBT模块和电阻等安装孔以及辐射换热的热量。

2热仿真计算与分析

根据1.4中的边界条件,对水冷散热器进行热仿真模拟,得到进水流量为3L/min时,水冷散热器表面的最大温升为29℃,温度云图以及流体速度云图如图3、图4所示。从图3可以看出,水冷散热器表面最大温升点在靠近出水口处的第二个1GBT处。两个1GBT的均温性比较一般,有3℃左右的温度差。由图4的速度云图可以看出,在1GBT下方的分流道中流速不均,并没有达到预期的效果。

图3进水流量为3L/min时水冷散热器温度云图

图4进水流量为3L/min时水冷散热器速度云图

下面对水冷散热器进行优化,从增加进水流量以及增加扰流柱两个方面进行仿真优化。在仿真的过程中,其他边界条件保持不变。

2.1增加进水流量对水冷散热器的影响

在边界条件保持不变的情况下,增加水冷散热器进水流量分别至6L/min、9L/min、12L/min及15L/min时,得到水冷散热器最大温升以及压降,并对比之前3L/min的仿真结果,如图5所示。从图5的仿真数据来看,当进水流量增大时,水冷散热器表面的温升在不断降低,但压降也在不断增大。当流量增加到9L/min以后,温升的下降趋势变缓。然而随着流量的增大,压降却一直呈现指数形式增长。压降的增大对循环泵乃至整个水冷系统都是额外的消耗,同时也会增加冷却液泄漏的风险。所以进水流量并不是越大越好,需要综合考虑,在一定范围内,选取最优值。

图5水冷散热器表面温升以及压降随流量变化图

流量为9L/min时,水冷散热器温度云图如图6所示。

2.2增加扰流柱对水冷散热器的影响

分别设计圆形和菱形两种扰流柱,用来增加扰流以及增加散热器内流道流速,提高水冷散热器的散热效果。两种扰流柱的水道结构图如图7所示,分别对两种水道结构在不同的流量下进行仿真模拟。得到温升以及压降的结果与之前无扰流柱的方案进行对比,结果如图8所示。从图8可以看出,加上扰流柱后,水冷散热器的表面温升以及压降随流量的变化趋势与不加扰流柱的趋势基本一致。加了扰流柱后,由于加强了扰流效果以及增加了流速,所以温升较之前有所下降,其中圆形扰流柱的方案温升较低,菱形扰流柱方案温升稍高,但两者相差不大。与之相对比,添加扰流柱后,压降均比之前有所提高,其中圆形较高,菱形低些。通过对添加扰流柱的水冷散热器的仿真模拟,综合温升和压降,最后确定水冷散热器的方案为添加菱形扰流柱。

流量为9L/min时,添加扰流柱的水冷散热器温度云图如图9所示。

3结语

通过对水冷散热器的热仿真分析,研究了增加进水流量对水冷散热器性能的影响。随着进水流量的增加,水冷散热器的表面温升下降。当流量增加到一定值后,温升下降的趋势变缓。但是,流量增加时,压降也呈现指数形式的增加。所以进水流量并不是越大越好,需要综合考虑温升和压降,选定合理的取值。

根据仿真模拟,研究了添加两种扰流柱对水冷散热器表面温升以及压降的影响趋势,并与不加扰流柱的方案进行对比。添加扰流柱后,温升及压降的变化趋势与不加扰流柱的趋势基本一致。其中,菱形扰流柱方案的温升与圆形扰流柱方案相似,但压降比圆形扰流柱方案小,所以最终方案为添加菱形扰流柱。