基于Flotherm分析的光伏逆變器的散熱設(shè)計(jì)

楊雄鵬¹，周曉東²，陳長(zhǎng)安²，蔡蕭³

（1西安交通大學(xué)，陜西西安 710049；2特變電工西安電氣科技有限公司，陜西西安 710065）

 

摘要：在電力電子設(shè)備小型化的趨勢(shì)下，有限空間的散熱設(shè)計(jì)成為產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵瓶頸。本文以小功率光伏逆變器的散熱設(shè)計(jì)為例，首先提出了Flotherm軟件仿真的基本思想和基本理論，介紹了散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)和整機(jī)系統(tǒng)熱仿真分析，包括多方案篩選優(yōu)化。通過CFD數(shù)值仿真與工程樣機(jī)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，分析評(píng)估完全滿足工程設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)的目的。文章也介紹了海拔對(duì)散熱的影響和修正。較好的驗(yàn)證了基于Flotherm軟件分析的電力電子設(shè)備散熱設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)和可靠度。

關(guān)鍵詞：系統(tǒng)熱分析；方案篩選；熱阻；結(jié)溫

中圖分類號(hào)：

      Heat dissipation design of small power photovoltaic inverter based on

 analysis of Flotherm

YANG Xiong-peng¹, ZHOU Xiao-dong², CHEN Chang-an² ,CAI Xiao³

（1 TBEA Xi’an Electric Technology Co. Ltd，Xi’an Shaanxi，710065 China）

Abstract：Under the trend that electric and electronics equipments is miniaturized, the heat  dissipation design in limited space becomes key bottleneck of the reliability design of products.Take example for the heat dissipation design of small power photovoltaic inverter, basic logics and theories used in Flotherm software are put forward in the beginning, then the optimization to the heat sink and the thermal simulation analysis in system level are introduced,as well as the scheme selection and optimization. By contrast with CFD numerical simulation solution and the test results in engineering protype,the optimized scheme completely meets the requirements of engineering and reliability design of products through the analysis and estimation.The effects and revises made by height to the heat dissipation are also introduced in this article.The advantage and reliability of the thermal design on electric and electronics equipments based on Flotherm are well tested and verified. 

Keyword：Thermal analysis in system level，scheme selection，thermal resistance，junction temperature

  

1  引   言

  

 

基金項(xiàng)目：國家“863”項(xiàng)目（2011AA05A305） 定稿日期：2012-10-29 作者簡(jiǎn)介：楊雄鵬（1983.12-），男，甘肅平?jīng)鋈耍T士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮釉O(shè)備熱設(shè)計(jì)和熱測(cè)試。

隨著電力電子設(shè)備在電力行業(yè)中的廣泛應(yīng)用，產(chǎn)品的可靠性變得越來越重要。小功率光伏逆變器是小型電力電子設(shè)備的典型代表，逆變器的核心器件—IGBT模塊（Insulated Gate Bipolar Transistor）在運(yùn)行過程中產(chǎn)生大量的熱，約有1～1.5％的有功功率轉(zhuǎn)化為熱能，這部分熱量會(huì)使其內(nèi)集成的功率器件管芯發(fā)熱、結(jié)溫升高。如果不能及時(shí)、有效的將此熱量釋放，就會(huì)降低系統(tǒng)可靠性，甚至損壞器件。在電力電子產(chǎn)品小型化的趨勢(shì)下，IGBT模塊在有限空間的散熱設(shè)計(jì)成為小型光伏逆變器散熱設(shè)計(jì)的核心，同時(shí)系統(tǒng)方案還要兼顧熱敏感器件的溫升，這就需要通過某種手段對(duì)散熱方案進(jìn)行全方位評(píng)估。本文通過Flotherm軟件對(duì)小功率光伏逆變器進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)熱分析^[1]和多方案篩選，將仿真數(shù)據(jù)與工程樣機(jī)的實(shí)測(cè)對(duì)比，驗(yàn)證基于Flotherm分析的電力電子設(shè)備散熱設(shè)計(jì)的可行性與可靠度。

2  仿真原理與方案設(shè)計(jì)

Flotherm仿真軟件是一款強(qiáng)大的應(yīng)用于電子元器件以及系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)的三維CFD（Computational Fluid Dynamics）軟件。CFD的基本思想是把原來在時(shí)間域和空間域上連續(xù)的物理量的場(chǎng)，用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)上的變量值的集合來代替，通過一定的原則和方式建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上場(chǎng)變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組，然后求解代數(shù)方程組獲得場(chǎng)變量的近似值。熱設(shè)計(jì)問題本質(zhì)在于定量描述熱現(xiàn)象，文中所述小功率電力電子設(shè)備的散熱設(shè)計(jì)問題屬于強(qiáng)迫風(fēng)冷設(shè)計(jì)范疇，可以通過湍流模型描述。

CFD仿真的基本理論如下：小型電子電子設(shè)備的散熱設(shè)計(jì)屬于不可壓縮、常物性、無內(nèi)熱源的三維對(duì)流傳熱問題，結(jié)合傳熱學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)基本理論，得出描述該問題的微分方程組^[2]為：

質(zhì)量守恒方程

動(dòng)量守恒方程

能量守恒方程

其中，u、v、w是速度矢量V在直角坐標(biāo)系x、y、z方向上的三個(gè)分量；為流體的粘性系數(shù)；p 為流體微團(tuán)所在處的靜壓力；F_x、F_y、F_z是體積力在x、y、z方向上的分量；?為流體的導(dǎo)熱系數(shù)；c_p為流體的定壓比熱容。動(dòng)量守恒方程式就是Navier-Stokes方程，質(zhì)量守恒方程式又稱連續(xù)性方程，它們是描寫粘性流體過程的控制方程，對(duì)于不可壓縮粘性流體的層流及湍流流動(dòng)都適用。

Flotherm軟件中的Command Center模塊采用了當(dāng)前世界上優(yōu)秀的多目標(biāo)優(yōu)化算法，是一種在具有多個(gè)變量參數(shù)中確定最佳方案的途徑。為了避免優(yōu)化設(shè)計(jì)中出現(xiàn)局部最優(yōu)代替全局最優(yōu)，軟件引入了代價(jià)函數(shù)（Cost Function）：

Cost Function=W₁R₁+W₂R₂+KW_NR_N    (6)

式中，W為代價(jià)權(quán)重（Cost Weighting），R為目標(biāo)輸出變量。輸入變量通常為一定范圍內(nèi)的離散或連續(xù)值，由這些數(shù)據(jù)可以形成數(shù)量可觀的輸入變量組合，每一個(gè)輸入變量組合就對(duì)應(yīng)一個(gè)實(shí)驗(yàn)。本文涉及的IGBT散熱器優(yōu)化方案就是通過Command Center模塊實(shí)現(xiàn)的。

以上介紹了Flotherm的仿真原理，對(duì)于一個(gè)實(shí)際換熱問題， 借助flotherm實(shí)現(xiàn)仿真的前提需獲取物理模型參數(shù)，例如模型外形尺寸，關(guān)鍵器件尺寸，熱耗分布，接觸熱阻，材料屬性等等。

2.1   物理模型

下面對(duì)小功率光伏逆變器的物理模型參數(shù)作如下說明：

（1）邊界條件：環(huán)境溫度為60℃，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。氣流狀態(tài)為紊流，系統(tǒng)求解域定義為箱體體積的36倍。系統(tǒng)求解的迭代次數(shù)設(shè)為500次。

（2）主要尺寸參數(shù)：機(jī)箱的幾何尺寸為750×540×380mm，IGBT模塊熱源尺寸31.5×68.4×10mm，電抗器的尺寸為71×71×25mm。

（3）材料參數(shù)：本系統(tǒng)共涉及五種材料Steel（Mild），Copper（Pure），Aluminum-6061，Silicon Carbide（Typical），Typical ChipArray。其結(jié)構(gòu)模型如圖1所示：

圖1 小功率光伏逆變器結(jié)構(gòu)模型

小功率光伏逆變器主要由直流輸入模塊、升壓模塊、逆變模塊和交流輸出模塊組成。主要熱耗點(diǎn)分布于圖1所示的升壓和逆變PCB下端的A、B、C、D、E五個(gè)IGBT模塊以及位于機(jī)箱背部編號(hào)為1~7的七個(gè)電感。箱體中各單板或模塊上所有功耗器件的型號(hào)、熱耗、最大殼溫等參數(shù)見表1。

表1  關(guān)鍵功耗器件熱參數(shù)

關(guān)鍵功耗器件	熱耗（W）	允許Tcmax（℃）殼溫
M._A~M._C	108W	135℃
M._D~M._E	138W	155℃
Lin	2W	110℃
Lout	12W	150℃
L1~L7	30W	150℃

2.2  設(shè)計(jì)方案及仿真結(jié)果

根據(jù)箱體預(yù)留散熱器空間大小，確定散熱器的空間最大尺寸為450×200×90mm。散熱器功率Φ為600W，基板厚度與散熱功率之間的工程經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式

t = 7 x logΦ-6                  (7)

式中，t為基板厚度，mm，最小值為2。把Φ=600W帶入公式（7）計(jì)算得t=13.447mm，取t=14mm。根據(jù)風(fēng)速初步估計(jì)，選取肋間距為6mm。依據(jù)散熱器空間高度尺寸及基板厚度，選取肋高為50mm。基板寬度200mm，肋片厚度取4mm，可估算肋片數(shù)為20。散熱器材質(zhì)為Aluminum-6061，導(dǎo)熱系數(shù)為180W/(m·K)。

在Command Center 中輸入優(yōu)化的相關(guān)參數(shù)如下，肋高40~65mm，肋厚1~4mm，基板厚度14~20mm，肋片間距5~7mm。目標(biāo)函數(shù)定義為編號(hào)為A～E的IGBT模塊的殼溫。同時(shí)監(jiān)視的散熱器的基板溫度及其進(jìn)出口空氣溫度。

關(guān)鍵器件IGBT散熱器的設(shè)計(jì)優(yōu)化參數(shù)如下：散熱器的包絡(luò)體積為450×200×76.5mm，基板厚度為16.5mm，肋片數(shù)為30，肋高60mm，肋片厚度為1.2mm，肋片平均間距為6.345mm。

IGBT模塊功率密度較高，散熱空間有限，在散熱器兩端加裝風(fēng)機(jī)以強(qiáng)冷方式散熱。其次封裝在箱體背部下方的七個(gè)電感總熱耗為210W，利用風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)在電感附近造成的湍流氣流強(qiáng)化散熱。

基于上述熱耗分析，確定強(qiáng)制風(fēng)冷總熱耗為：W_tot=275+325=600W，估計(jì)進(jìn)出風(fēng)口溫升△t約為14℃，由工程經(jīng)驗(yàn)公式 

q=(1.76*W_tot)/?t               （8）

算出系統(tǒng)所需有效風(fēng)量q= 75CFM，根據(jù)箱體空間結(jié)構(gòu)選擇大小8038的軸流風(fēng)機(jī)對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行冷卻，假定此風(fēng)機(jī)工作在效率最大點(diǎn)：靜壓85Pa，風(fēng)量45CFM。評(píng)估此系統(tǒng)至少需要兩臺(tái)風(fēng)機(jī)并聯(lián)^[3]。

通過系統(tǒng)級(jí)仿真分析、篩選，選定下圖2模型方案，此方案五個(gè)功率模塊共用一塊散熱器，上下機(jī)殼開孔及進(jìn)出風(fēng)口開孔率均為60%，開孔位置見下圖2所示。

圖2 機(jī)箱布局熱模型

基于Flotherm的仿真，對(duì)照?qǐng)D1中功率元器件的編號(hào)，五個(gè)IGBT模塊殼溫由A到E依次為82.5℃，84.8℃，86.6℃，92.7℃，93.8℃，七個(gè)電抗器編號(hào)1至7的表殼溫分別為65.7℃， 65.4℃，65.2℃，65.4℃， 64.8℃， 64.7℃，65.2℃。

圖4反映的是CFD求解過程中監(jiān)控點(diǎn)溫度隨迭代步數(shù)的收斂變化趨勢(shì)。同時(shí)，從圖3中粒子流可以看出，七個(gè)電抗器處于右側(cè)兩個(gè)風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)造成的湍流區(qū)域中，其冷卻效果得到強(qiáng)化。

圖3  仿真粒子流及速度場(chǎng)

圖4  監(jiān)控點(diǎn)溫度vs迭代步數(shù)

IGBT模塊中集成的IGBT芯片 、二極管芯片和場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)溫T_j可由下式計(jì)算^[4]:

    

其中P_TDP為IGBT單芯片的最大熱耗。R_jc為芯片結(jié)點(diǎn)至外殼的熱阻，該值可向廠商提供的器件資料中查詢 ^[4]。

因所評(píng)估的IGBT模塊集成了多個(gè)IGBT芯片、二極管芯片、場(chǎng)效應(yīng)管芯片，其集成技術(shù)、內(nèi)部布局屬于模塊廠家機(jī)密文件，因此很難準(zhǔn)確得到模塊內(nèi)每個(gè)芯片的準(zhǔn)確熱耗、結(jié)溫、殼溫以及空間坐標(biāo)。由于模塊的集成度較高，且熱源（主要是IGBT，Diode，buck）分布較均勻，工程仿真熱模型采用均勻體積熱源等效實(shí)際的熱源，可近似得到功耗器件IGBT模塊的殼溫。

表2  關(guān)鍵功耗器件溫度仿真結(jié)果

關(guān)鍵器件	殼溫（℃）	降額設(shè)計(jì)殼溫（℃）
M.~A_M.~C	86.6	108
M.~D_M.~E	93.8	124
Lin	79.9	88
Lout	80.8	120
L1~L7	65.7	120

注：上表2只統(tǒng)計(jì)同規(guī)格模塊中仿真溫度最大的值，且降額設(shè)計(jì)殼溫參考國軍標(biāo)Ⅱ級(jí)降額標(biāo)準(zhǔn)，系數(shù)0.8。

表2仿真預(yù)測(cè)的功耗器件的殼溫，數(shù)據(jù)表明，IGBT模塊ModelA~ModelE的殼溫都未超過設(shè)定的降額殼溫，且有適當(dāng)余量。電感Lin、Lout、L1~L7殼溫均遠(yuǎn)低于降額設(shè)計(jì)溫度，有熱設(shè)計(jì)冗余，均可長(zhǎng)期安全可靠工作。

3   實(shí)驗(yàn)與仿真對(duì)比

在西安地區(qū)，實(shí)驗(yàn)溫度為60℃的高溫箱內(nèi)，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行滿載熱測(cè)試，數(shù)據(jù)見下表4。

表3 實(shí)測(cè)功耗器件的殼溫?cái)?shù)據(jù)

關(guān)鍵器件	殼溫（℃）	加入海拔修正殼溫	仿真與實(shí)驗(yàn)殼溫差值
M._A~M._C	82.1	81.7	4.9
M._D~M._E	89.6	89	4.8
Lin	76.1	75.8	4.1
Lout	78.3	77.9	2.9
L1~L7	65.2	65.1	0.6

注：通過表3與表2的對(duì)比，實(shí)測(cè)殼溫均低于仿真值。考慮海拔對(duì)空氣換熱系數(shù)的影響，由公式

 

西安地區(qū)十月份大氣壓力為97470Pa，海平面標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力為101325Pa，計(jì)算得h_c（高空）=0.98h_c（海平面），根據(jù)牛頓冷卻公式

假設(shè)換熱量Q不變，可以推測(cè)溫升增加到原來的1.02倍。以表3關(guān)鍵器件M._A~M._C為例，加入海拔因素的修正殼溫

T（修正）=60+（82.1-60）/1.02=81.7℃。

對(duì)比表2和表3，加入海拔修正后，仿真殼溫與實(shí)測(cè)修正后的殼溫最高僅差4.9℃，從而有力的驗(yàn)證了基于Flotherm軟件分析的電力電子設(shè)備散熱設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)和可靠度^[2]。

4   結(jié)論

對(duì)于電力電子設(shè)備的散熱設(shè)計(jì)問題，采用基于Flotherm分析的散熱設(shè)計(jì)方法能夠較準(zhǔn)確評(píng)估到實(shí)際工況中的溫度、速度、壓力場(chǎng)分布及風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)，從而幫助設(shè)計(jì)人員快速確定最佳設(shè)計(jì)方案 ^[6]。此外，運(yùn)用Flotherm熱分析手段進(jìn)行多方案篩選并確定最優(yōu)方案能夠有效指導(dǎo)產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)前期規(guī)避熱風(fēng)險(xiǎn)，提高產(chǎn)品可靠性和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力同時(shí)，縮短研發(fā)周期，降低開發(fā)成本，有效解決實(shí)驗(yàn)研究中開發(fā)周期長(zhǎng)，成本高的問題。

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