基于Flotherm軟件的電力電子裝置熱分析

丘東元,何文志,張 波,肖文勛

(華南理工大學(xué)電力學(xué)院,廣州五山 510641）

基于Flotherm軟件的電力電子裝置熱分析

丘東元,何文志,張 波,肖文勛

(華南理工大學(xué)電力學(xué)院,廣州五山 510641）

電力電子裝置的熱分析對設(shè)備的可靠性影響不可忽略,但在研究生課程中都沒有涉及,往往使得他們在畢業(yè)后工作中要重新進(jìn)行學(xué)習(xí)。為此,本文從散熱原理和應(yīng)用于熱分析的軟件Flotherm兩方面介紹了電力電子裝置熱分析的步驟,合理選擇散熱器及風(fēng)量,籍此改善裝置的工作可靠性。

熱分析;電力電子裝置;flotherm

0 引言

隨著電力電子裝置的小型化發(fā)展以及功率密度的提高,設(shè)備的溫度對其能否安全可靠地運(yùn)行影響很大。電力電子裝置的電能損耗很大部分轉(zhuǎn)化為熱損耗,從而造成元器件的結(jié)點(diǎn)溫度急劇升高,當(dāng)超過器件的安全結(jié)溫,元器件就會失效。研究表明,功率器件的失效率隨器件溫度成指數(shù)關(guān)系增長。實(shí)際工作中,可能會因?yàn)闊崃坎荒芗皶r排出導(dǎo)致器件溫度過高甚至燒毀影響電路的可靠性和壽命[1]。因此,裝置熱設(shè)計(jì)的好壞將直接影響到裝置的使用壽命和穩(wěn)定性。

Flotherm是英國Flomerics公司開發(fā)的電子系統(tǒng)散熱仿真軟件,已在全球廣泛使用。Flotherm采用了成熟的流體動力學(xué)和數(shù)值傳熱學(xué)仿真技術(shù),并成功地結(jié)合該公司在電子設(shè)備傳熱方面的豐富經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)庫開發(fā)而成。同時,Flotherm軟件還擁有大量專門針對電子工業(yè)而開發(fā)的模型庫。

本文通過Flotherm軟件對某大功率開關(guān)電源進(jìn)行熱分析,使我們可以掌握電力電子裝置的熱場分布并通過優(yōu)化手段提高裝置工作的可靠性。

1 電力電子裝置的散熱原理

從熱系統(tǒng)角度來看,電力電子裝置是發(fā)熱體與散熱體的組合。熱設(shè)計(jì)的主要目的是能將發(fā)熱體產(chǎn)生的熱經(jīng)過散熱體快速的傳至系統(tǒng)外的環(huán)境中。在電力電子裝置中,發(fā)熱體包括功率半導(dǎo)體器件、電阻和電感等器件。常見的傳導(dǎo)散熱體有導(dǎo)熱硅膠、散熱器、PCB板以及空氣介質(zhì)等。在熱傳遞的不同方式中,熱阻作為系統(tǒng)散熱能力的一個重要指標(biāo)。熱阻表示系統(tǒng)散熱過程所受到的阻礙力,與電路上的電阻概念類似,單位為℃/W,即散熱體經(jīng)過1W 功率時,散熱體熱端與冷端的溫度差[2,3]。電力電子系統(tǒng)散熱基本原理圖如圖1所示。

圖1 散熱基本原理圖

熱設(shè)計(jì)就是利用散熱器和風(fēng)扇等外加散熱器件控制系統(tǒng)熱阻,系統(tǒng)所需熱阻為式中,Δt h為與發(fā)熱器件緊密接觸的散熱器底板溫度與散熱器環(huán)境境平均溫度之間溫差,單位為℃;P為發(fā)熱器件功耗,單位為W。本文假設(shè)發(fā)熱量全部經(jīng)過散熱器傳到外部環(huán)境[4,5]。

2 大功率開關(guān)電源的熱分析

大功率高頻開關(guān)電源內(nèi)部主要發(fā)熱器件是主開關(guān)器件(如IGBT模塊)以及整流橋和次級輸出整流二極管?，F(xiàn)在我們利用Flotherm軟件建立如圖2所示的模型,分析以上發(fā)熱器件對電源內(nèi)部流場和溫度場的影響,并介紹利用該軟件輔助優(yōu)化。

圖2 電源機(jī)箱結(jié)構(gòu)

1)物理模型

設(shè)大功率開關(guān)電源工作環(huán)境溫度為27℃,電源機(jī)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。其尺寸(長×寬×高)為510mm×330mm×600mm,內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為三個區(qū):①前區(qū)(B)包括了散熱片1以及安裝在其上面的整流橋和IGBT模塊,如圖2(b)所示;散熱片2以及安裝在其上面的輸出整流二極管(C);②后區(qū)(D)主要有高頻變壓器;③上區(qū)(E)安裝有軸流風(fēng)機(jī)300FZY6-D系列,風(fēng)量達(dá)到34m3/min,此外在散熱片1(B)上方裝有控制板(A)。兩散熱片相對排列,尺寸均為380×210×60mm(其中60mm為翅片高)。

調(diào)用Flotherm軟件中的模型庫(散熱器,風(fēng)扇等)及利用畫圖工具,可以建立大功率開關(guān)電源的幾何結(jié)構(gòu)模型,具體如圖2所示。對各個部件賦予材料、損耗等特性參數(shù)后,就可以進(jìn)行仿真[6,7]。

2)仿真結(jié)果

本文所述的大功率開關(guān)電源在額定輸出且工作在軟開關(guān)情況下,各開關(guān)器件的功耗(主要是導(dǎo)通損耗)如表1所示。

表1 開關(guān)器件的功耗估算(滿載輸出)

在軟件里設(shè)定熱源功耗后,利用軟件劃分網(wǎng)格計(jì)算,可以得出仿真結(jié)果。以下各圖只反映器件表面溫度,可以通過發(fā)熱器件結(jié)-底熱阻R JC換算得到器件的結(jié)溫。機(jī)箱內(nèi)部流場圖示于圖3。

圖3 機(jī)箱內(nèi)部流場圖

從圖3可看出,本文所述電源機(jī)箱內(nèi)部風(fēng)道設(shè)計(jì)合理,可以很快地利用空氣流動把散熱片熱量帶出機(jī)箱。由圖4和圖5中可以看到機(jī)箱內(nèi)部工作環(huán)境溫度約為40℃,其中二極管區(qū)域溫度最高,高達(dá)72℃左右。二極管的結(jié)-底熱阻R JC=0.45℃/W,可算得出二極管結(jié)溫約為110℃。雖然整流二極管在結(jié)溫150℃以下可以正常工作,但如果溫度過高就會影響二極管的可靠性。

圖5 二極管區(qū)域溫度分布

圖4 機(jī)箱內(nèi)部溫度切面

我們通過仿真,可以看到電源內(nèi)部的溫度場分布,并可以根據(jù)需要顯示某檢測點(diǎn)的溫度進(jìn)而看到裝置的熱分布所存在的問題。在所例舉的開關(guān)電源中發(fā)現(xiàn)兩個散熱片上的溫度存在較大差別,二極管區(qū)域的散熱片2溫度明顯高于散熱片1。進(jìn)而我們可以通過改變散熱片2的尺寸或散熱材料來改善這一問題。

3)應(yīng)用CFD軟件輔助優(yōu)化

利用Flotherm軟件可以快捷地實(shí)現(xiàn)優(yōu)化,在Command Center中,修改一個或同時修改多個參數(shù)(包括材料,尺寸等),每個參數(shù)可以分幾步修改。通過軟件仿真就可以看到在每步參數(shù)修改下,測試點(diǎn)的溫度或者如散熱器質(zhì)量和系統(tǒng)風(fēng)量等參數(shù)的差異。反映出來的是優(yōu)化效果與成本的關(guān)系,從而可以從直觀對比中選擇合適的優(yōu)化方案。

3 結(jié)語

通過應(yīng)用Flotherm軟件對裝置進(jìn)行熱分析,我們可以掌握裝置內(nèi)部的溫度分布。根據(jù)分析,我們可以作出相應(yīng)的改善方案來提高裝置工作的可靠性,對今后的電源結(jié)構(gòu)小型化及其散熱器的選擇具有一定的指導(dǎo)作用?？梢娫陔娏﹄娮友b置的設(shè)計(jì)過程中利用熱分析,可以使得裝置工作更加穩(wěn)定可靠,延長設(shè)備使用壽命。

我們把熱分析融入電力電子教學(xué)中,通過搭建簡易電路,分析其中各功率器件的損耗,進(jìn)而用CFD軟件建立模型分析,直觀地認(rèn)識裝置的熱場分布甚至某功率器件的溫度情況,可以加深學(xué)生對電力電子裝置的工作可靠性認(rèn)識。我們還可以利用逆向分析,通過實(shí)測溫度與仿真溫度的對比估算功率器件的大概損耗。

[1] 周志敏,周紀(jì)海.開關(guān)電源實(shí)用技術(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].北京:人民郵電出版社,第一版.2003:7

[2] 陶文銓.傳熱學(xué)[M].北京:高等教育出版社

[3] 汪擇宏.電子儀器中散熱器熱阻的計(jì)算方法[J].濟(jì)南:《科技信息》,2008年第4期

[4] 鮑承斌.功率器件熱設(shè)計(jì)及散熱計(jì)算[J].北京:《電子設(shè)計(jì)應(yīng)用》,2007年01期

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[6] S.Lee,Optimum Design and Selection of Heat Sinks,Proceedings of 11th IEEE Semi-Therm Symposium,1995,48-54

[7] 郁圣杰,李維忠.密閉機(jī)箱的熱仿真分析[J].南京:雷達(dá)與對抗,2008年第4期

Thermal Analysisof Power Electronic Device Based on Flotherm Software

QIUDong-yuan,HEWen-zhi,ZHANG Bo,XIAOWen-xun

(Collegeo f E lectr ic Pow er,Sou th Ch ina University o f Technology,Guangzhou 510641,Ch ina)

The therm alanalysis of power electronic devices is not invo lved in m ost of the graduate courses.However,thermalanalysis is important for power electronic devices,which makes the graduated student often re-study at work.Thus,this paper presents the therm alanalysis of power electronic devices from the cooling princip le through the thermal analysis Flotherm software,in order tomake up the deficiency in the teaching.

therm alanalysis;power electronic device;Flotherm

TM 743

A

1008-0686(2011)02-0050-03

2010-08-02;

2010-11-07

丘東元(1972-),女,博士,副教授,主要從事電力電子裝置與系統(tǒng)的研究,E-mail:epdyqiu@scu t.edu.cn