基于SolidWorks的功率單元熱力分析

周 吉

（上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院，上海 200070）

隨著全球能源危機(jī)的加劇，國(guó)家對(duì)節(jié)能減排的要求也越來越高。高壓大功率電動(dòng)機(jī)是我國(guó)主要的耗電大戶，電動(dòng)機(jī)加裝高壓變頻器后可以實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能，并能有效節(jié)約能源。功率單元是高壓變頻器的核心部件，如何驗(yàn)證和改善功率單元的散熱效果以保證高壓變頻器長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，就成了研發(fā)大功率高壓變頻器的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

功率單元中，絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）、整流二極管和晶閘管是高壓變頻器穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵器件。這些器件在運(yùn)行過程中會(huì)有功率損耗，功率損耗產(chǎn)生的熱量通常依靠散熱器使其散發(fā)出去，以保證功率器件的可靠性。散熱不良會(huì)導(dǎo)致器件的溫度過高，輕則導(dǎo)致器件損壞，重則引起著火和爆炸等后果［1］。功率單元中功率器件的排布設(shè)計(jì)和散熱器的散熱設(shè)計(jì)是功率單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。設(shè)計(jì)后，如何檢驗(yàn)和校正功率單元設(shè)計(jì)的合理性是重中之重。

本文結(jié)合6kV 500kW H橋單元串聯(lián)多電平高壓變頻器的設(shè)計(jì)，充分運(yùn)用SolidWorks計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的熱力分析功能和熱設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)研制中的功率單元實(shí)施了熱設(shè)計(jì)、熱分析，驗(yàn)證了功率單元在散熱設(shè)計(jì)方面的可靠性。

1 熱力分析理論基礎(chǔ)

1.1 熱力分析的定義

熱力分析是指用熱力學(xué)、材料性能學(xué)測(cè)量物質(zhì)的物理參數(shù)隨溫度變化的關(guān)系進(jìn)行分析的方法。

熱力分析可分為穩(wěn)態(tài)的熱力分析和瞬態(tài)的熱力分析。穩(wěn)態(tài)的熱力分析是模擬熱流的穩(wěn)定情況，即熱流持續(xù)進(jìn)行，不隨時(shí)間而變化。瞬態(tài)的熱力分析是模擬熱流的瞬時(shí)情況，即在一定時(shí)間內(nèi)，熱流隨著時(shí)間的變化而變化。

1.2 熱傳遞的機(jī)理

熱傳遞有3種傳熱形式：傳導(dǎo)、對(duì)流、熱輻射。

（1）傳導(dǎo)。傳導(dǎo)是指熱能通過物質(zhì)的分子與分子間的相互作用，從物體溫度高的區(qū)域傳遞到溫度較低的區(qū)域［2］。傳導(dǎo)可以發(fā)生在固體、液體和氣體中，而傳導(dǎo)是固體中傳遞熱能最重要的方式。傳導(dǎo)不涉及物體的整體運(yùn)動(dòng)，熱流通過分子間的碰撞來傳遞熱量。非金屬固體通過晶格的振動(dòng)來傳熱，熱量在傳遞過程中并沒有介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)。金屬的熱能傳遞是通過自由電子的碰撞形成的，自由電子的導(dǎo)熱性能比晶格的導(dǎo)熱性能高；因此，在常溫下，金屬比非金屬具有更好的傳熱性能。

熱能傳導(dǎo)Q傳導(dǎo)與熱導(dǎo)率λ、溫度梯度T熱－T冷、傳熱面積A成正比，與介質(zhì)的厚度L成反比，即

式中，“－”表示傳熱方向與溫度梯度方向相反。

熱導(dǎo)率是表征材料通過傳導(dǎo)的方式傳遞熱能效率的參數(shù)。它定義為單位溫度下通過材料單位面積的熱傳送比率。熱導(dǎo)率通常用λ表示。λ越小，導(dǎo)熱性就越差。

（2）對(duì)流。對(duì)流是指流動(dòng)的流體（氣體或液體）與固體壁面直接接觸時(shí)，由于溫差引起的相互之間的熱能傳遞過程［3］。對(duì)流傳熱分為自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流兩種傳熱形式。自然對(duì)流傳熱指在自然對(duì)流中固體與流體之間的溫差引起流體密度的變化產(chǎn)生一定的浮力，浮力又引起固體表面附近的流體產(chǎn)生對(duì)流運(yùn)動(dòng)。強(qiáng)制對(duì)流傳熱指在強(qiáng)制對(duì)流中為了降低溫度一般采用風(fēng)扇或泵來加速固體表面流體的流動(dòng)，不僅增大了物體的溫度梯度，而且提高了熱交換率。

固體表面與附近流體對(duì)流傳熱Q對(duì)流的大小與對(duì)流系數(shù)h、表面積A、固體表面與周圍流體之間的溫差T熱－T冷成正比，即

（3）熱輻射。熱輻射是具有一定溫度的物體的熱能，通過真空（或空氣）傳遞給另一個(gè)物體的傳熱過程。物體的溫度越高，輻射傳熱就越明顯。輻射的熱量與熱力學(xué)溫度的4次方成正比［4］，即

式中，T為絕對(duì)溫度；σ為黑體的輻射常數(shù)，其值為5.669×10－8W／（m2·K4）。

2 功率單元功率器件的功率損耗計(jì)算

熱力分析主要的輸入量是熱載荷，也就是各功率器件的功率損耗。熱力分析時(shí)，要盡可能模擬產(chǎn)品的真實(shí)情況，功率器件的功率損耗計(jì)算的精確性對(duì)熱力分析的結(jié)果起著至關(guān)重要的作用。

計(jì)算出安裝在散熱器上各功率器件的功率損耗，再利用SolidWorks仿真軟件的熱力分析功能，就能檢驗(yàn)功率器件是否能正常運(yùn)行，散熱器選用是否合理。本文結(jié)合6kV 500kW－H橋單元串聯(lián)多電平高壓變頻器來說明設(shè)計(jì)開發(fā)的實(shí)現(xiàn)過程。

2.1 功率單元原理圖

如圖1所示，6kV 500kW－H橋單元串聯(lián)多電平高壓變頻器的功率單元的主要功率器件由5個(gè)整流 二級(jí)管（D21～D25）、2個(gè)IGBT（IGBT1、IGBT2）、1個(gè)晶閘管（BT1）、2個(gè)熔斷器（FU1、FU2）和3個(gè)電容（C10～C12）組成。安裝在散熱器上的功率器件只有整流二級(jí)管、IGBT和晶閘管，只需計(jì)算出這些功率器件的功率損耗即可。

圖1 功率單元原理

2.2 IGBT功率損耗的計(jì)算

（1）IGBT的平均通態(tài)損耗為

（2）IGBT的平均開關(guān)損耗為

（3）反并聯(lián)續(xù)流二極管的通態(tài)平均功耗為

（4）反并聯(lián)續(xù)流二極管的開關(guān)損耗為

（5）IGBT的損耗總功率為

式中，Icp為變頻器的正弦波輸出電流的峰值電流；VCE（sat）為元器件的殼溫 Tvj＝125℃時(shí)，IGBT 的飽和壓降；D為脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）信號(hào)占空比；cosθ為功率因素；Eon為Tvj＝125℃時(shí)，IGBT的開通能量；Eoff為Tvj＝125℃時(shí)，IGBT的關(guān)斷能量；fPWM為PWM開關(guān)頻率；Vf為Tvj＝125℃時(shí)，反并聯(lián)續(xù)流二極管的正向電壓；Erec為Tvj＝125℃時(shí)，反并聯(lián)續(xù)流二極管的反向恢復(fù)能量。

IGBT采用的是英飛凌（Infineon）品牌型號(hào)FF 150R17ME 3G，根據(jù)式（4）～（8）計(jì)算FF 150R17 ME 3G的損耗總功率為

2.3 整流二極管功率損耗的計(jì)算

單只二極管的損耗為

式中，Vf為前向壓降；Io為輸出電流。

整流二極管采用的是英飛凌（Infineon）型號(hào)DD 98N25K，根據(jù)式（9）計(jì)算得到DD 98N25K的損耗功率為

DD 98N25K的結(jié)構(gòu)是2只二極管串聯(lián)，故DD 98N25K的損耗功率

2.4 晶閘管功率損耗的計(jì)算

晶閘管的通態(tài)功耗為

式中，VTO為閥值電壓；IT（AV）為正向平均電流；IF（RSM）為正向電流有效值；rT為斜率電阻。

晶閘管采用的是英飛凌（Infineon）型號(hào)TD 122 N 22KOF，根據(jù)式（10）計(jì)算得到TD 122N22KOF的損耗功率為

2.5 功率單元熱損耗總功率的計(jì)算

由于有2個(gè)IGBT、5個(gè)整流二級(jí)管和1個(gè)晶閘管，故功率單元熱損耗總功率

3 散熱器的選擇

3.1 散熱器選擇的數(shù)學(xué)模型

元器件安裝在散熱器上，熱量主要由元器件殼體傳導(dǎo)給散熱器，散熱器再通過自然對(duì)流與冷卻空氣換熱。

散熱器的熱阻為

式中，Rsa為散熱器的熱阻（℃／W）；Rpu為功率單元的總熱阻（℃／W）；Rjc為元器件的結(jié)殼熱阻（℃／W）；Rcs為元器件的殼體到散熱器之間的接觸熱阻（℃／W）；Tj（max）為元器件的最大結(jié)溫（℃）；Ta為運(yùn)行時(shí)的最高環(huán)境溫度（℃）；Ppu為功率單元熱損耗的總功率（W）。

散熱器的溫升為

3.2 功率單元散熱器參數(shù)的確定

考慮到高壓變頻器功率單元會(huì)在不同工況、不同環(huán)境下運(yùn)行，在計(jì)算功率單元熱損耗總功率時(shí)增加120%的安全系數(shù)，即Ppu＝1.2×380.16＝456.19（W）。

FF 150R17ME 3G的運(yùn)行最大結(jié)溫為125℃，結(jié)殼熱阻為0.12℃／W，殼體到散熱器之間的接觸熱阻為0.04℃／W，高壓變頻器運(yùn)行時(shí)的最高環(huán)境溫度為40℃。

根據(jù)式（11）計(jì)算得到散熱器的熱阻為

根據(jù)式（12）計(jì)算得到散熱器的溫升為

3.3 功率單元散熱器的選用與安裝原則

（1）散熱器選擇時(shí)，散熱器熱阻要小于計(jì)算值Rsa，并留有一定的余量。

（2）選用散熱器型號(hào)時(shí)，盡量選擇現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)的型材。若需定制，則需綜合考慮結(jié)構(gòu)工藝、傳熱效果和經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)。

（3）散熱器與元器件的接觸面應(yīng)光滑平整，使其與元器件之間緊密接觸。必要時(shí)，在接觸面之間增加薄云母、導(dǎo)熱膠、聚酯薄膜等低熱阻材料，以消除間隙對(duì)傳熱效果的影響。

（4）安裝時(shí)，盡量增大散熱器與元器件的接觸面積以降低熱阻，提高傳熱效果。

（5）合理排放元器件在散熱器上的位置。單個(gè)元器件安裝時(shí)，應(yīng)置于散熱器的中心位置；多個(gè)元器件安裝時(shí)，應(yīng)均勻分布。

（6）自然對(duì)流時(shí)，散熱器應(yīng)安置在機(jī)柜內(nèi)，便于換熱空氣流通的位置。散熱器的肋片長(zhǎng)度方向應(yīng)與地面垂直；強(qiáng)制對(duì)流時(shí)，散熱器的肋片長(zhǎng)度方向應(yīng)與氣流方向一致。

4 功率單元熱力分析仿真

SolidWorks仿真有熱力分析和流體分析功能，熱力分析是用來處理固體熱傳導(dǎo)的，而流體分析是對(duì)氣體和液體的流動(dòng)進(jìn)行分析。功率單元熱力分析主要考量穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下元器件的最高溫度，故采用SolidWorks穩(wěn)態(tài)的熱力分析進(jìn)行仿真。

4.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

6kV 500kW－H橋單元串聯(lián)多電平高壓變頻器功率單元的熱設(shè)計(jì)指標(biāo)（見表1）是考慮在環(huán)境溫度最高為40℃的情況下，功率單元內(nèi)各種發(fā)熱元器件所產(chǎn)生的熱量通過散熱器散熱后，溫度不能高于元器件正常工作時(shí)所能承受的最高溫度。

表1 功率單元發(fā)熱器件溫度指標(biāo)

4.2 簡(jiǎn)化模型

做熱力分析仿真時(shí)，一般要簡(jiǎn)化一些過于細(xì)小的特征，如一些小零件結(jié)構(gòu)或裝配體結(jié)構(gòu)，這樣可以大量地節(jié)約資源和計(jì)算時(shí)間。由于SolidWorks進(jìn)行熱力分析時(shí)占用的資源很多，過于龐大的數(shù)據(jù)運(yùn)算會(huì)導(dǎo)致SolidWorks資源不足而無法完成仿真分析。在分析時(shí)，不可能把所有模型細(xì)節(jié)都呈現(xiàn)出來，因此，有些模型特征要壓縮，有些結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)化。

功率單元內(nèi)主要的發(fā)熱元器件是IGBT、二極管整流橋、晶閘管；主要散熱元器件是散熱器，將這些模型保留，其他模型進(jìn)行壓縮。除此之外，簡(jiǎn)化二極管整流橋、晶閘管的模型設(shè)計(jì)，將IGBT、散熱器的一些細(xì)小特征進(jìn)行刪減和修改。簡(jiǎn)化后，功率單元主要發(fā)熱元器件如圖2所示。

圖2 功率單元主要發(fā)熱元器件

4.3 熱載荷的定義

定義熱載荷，即設(shè)置功率單元的發(fā)熱源。這些發(fā)熱源主要為IGBT、二極管整流橋和晶閘管。熱載荷數(shù)值的輸入按照各器件的功率損耗來設(shè)定，熱量值如表2所示。

表2 功率單元發(fā)熱器件熱量表

4.4 接觸熱阻的定義

發(fā)熱元器件和散熱器連接在一起，不可能完全接觸。首先，元器件和散熱器是用粘結(jié)劑粘在一起的；另外，各零件表面都存在一定的表面粗糙度，故在接觸表面之間存在一層薄薄的空氣間隙。粘結(jié)劑和空氣間隙形成了一層隔熱層，即接觸熱阻。SolidWorks中，隔熱層不用實(shí)際建模，可以方便地用接觸熱阻來模擬很薄的隔層材料，實(shí)現(xiàn)模擬仿真。

功率單元的發(fā)熱元器件與散熱器之間涂了一層約25μm的導(dǎo)熱膠材料——北極銀純銀散熱膏（Arctic Silver 5）。Arctic Silver 5的傳熱系數(shù)（K）約為350kW／（K·m2）。根據(jù)熱阻是傳熱系數(shù)的倒數(shù)，可得到熱阻值Rth＝1／K＝1／350＝2.857×10－3（K·m2）／kW。接觸熱阻的設(shè)置如圖3所示，選擇圖3中紫色部分為熱阻的接觸面，熱阻定義值為2.857×10－3K·m2／kW，如圖3中紅色圈出部分。

圖3 定義接觸熱阻

4.5 散熱器對(duì)流的定義

功率單元中，IGBT、二極管整流橋和晶閘管的散熱，除了和空氣形成自然對(duì)流之外，其主要的降溫手段還是靠散熱器。在電力電子散熱型材中，鋁散熱器具有很好的導(dǎo)熱性、金屬熱強(qiáng)度高、質(zhì)量輕及價(jià)格低等特點(diǎn)，在功率單元散熱器中得到廣泛應(yīng)用。

功率單元中使用的散熱器是插片式散熱器，型材為6063鋁，熱導(dǎo)率為218W／（m·K）。在定義散熱器對(duì)流參數(shù)時(shí)，除了輸入對(duì)流系數(shù)“218W”（與熱導(dǎo)率數(shù)值一致）外，還要設(shè)置總環(huán)境溫度“313K”，代表周圍空氣的溫度約為40℃。

4.6 熱力分析結(jié)果

功率單元熱力分析通過求解運(yùn)算后，得到功率單元穩(wěn)態(tài)溫度分布的結(jié)果如圖4所示。由圖中可見功率單元發(fā)熱元器件的溫度分布情況，在環(huán)境溫度為313K（40℃）時(shí)，2個(gè)IGBT的溫度最高為322.5K，散熱器邊緣的溫度最低為314.1K，整個(gè)功率單元的溫差為314.5～322.5K。在實(shí)際運(yùn)行中，由于功率單元處在一個(gè)高諧波環(huán)境，需要增加一定的設(shè)計(jì)余量。按設(shè)計(jì)余量放大10K計(jì)算，IGBT的最高溫度為322.5＋10＝332.5（K），整流二極管的最高溫度為320.4＋10＝330.4（K），晶閘管的最高溫度為319＋10＝329（K），均小于設(shè)計(jì)指標(biāo)溫度，散熱情況良好，符合設(shè)計(jì)要求。

圖4 穩(wěn)態(tài)溫度的分布

5 結(jié) 語

在熱力分析軟件問世以前，工程設(shè)計(jì)中的器件排布與散熱選型都是以經(jīng)驗(yàn)初選或采用大余量設(shè)計(jì)，沒有對(duì)散熱器進(jìn)行精密運(yùn)算和仿真，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致散熱器過盈或不足，故設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品要經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性和產(chǎn)品的可靠性。為了降低產(chǎn)品開發(fā)成本和開發(fā)周期，傳統(tǒng)的驗(yàn)證方式在很大程度上正逐漸被各種仿真軟件所取代。對(duì)于任何會(huì)產(chǎn)生熱量的設(shè)備，都應(yīng)該進(jìn)行熱力性能分析，以避免潛在的過熱危險(xiǎn)。

在6kV 500kW－H橋單元串聯(lián)多電平高壓變頻器的功率單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，合理地利用了SolidWorks熱力分析技術(shù)，通過功率器件損耗功率計(jì)算，模擬功率單元運(yùn)行中的實(shí)際工況，對(duì)功率單元的設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。該變頻器在實(shí)際應(yīng)用中，滿負(fù)荷運(yùn)行下的測(cè)試數(shù)據(jù)也符合功率單元熱力分析的結(jié)果。

［1］李凱，劉爽.多電平單元串聯(lián)高壓變頻器功率單元的熱設(shè)計(jì)［J］.變頻器世界，2007，127（7）：55－60.

［2］葛雋，何聞.晶體管水冷散熱器的熱分析及仿真研究［J］.機(jī)床與液壓，2008，36（5）：61－164.

［3］程鵬，蘭海，羅耀華.整流器件熱分析及其風(fēng)冷散熱器的仿真研究［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2011，28（11）：275－278.

［4］DS SolidWorks?公司.SolidWorks?Simulation高級(jí)教程［M］.2版.陳超祥，葉修梓，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011：35－50.