基于正交分析法的功率模塊散熱器的數(shù)值研究

賈艷玲，李華君，毛志云，王 艷

(許繼柔性輸電系統(tǒng)公司，河南 許昌461000)

0 引言

隨著技術(shù)的進(jìn)步，風(fēng)電、光伏等新能源產(chǎn)業(yè)也向著大功率方向發(fā)展，大功率模塊得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。由于電子技術(shù)的快速發(fā)展，功率模塊中的電子器件也向體積越來(lái)越小，功率密度越來(lái)越高發(fā)展，功率模塊的運(yùn)行狀態(tài)直接影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，因此有效地提高功率模塊的散熱是至關(guān)重要的問題［1，2］。一般來(lái)說，功率模塊的電子器件發(fā)熱量都很大，采用自身自然冷卻很難滿足散熱要求，這就需要加裝散熱器，采用強(qiáng)迫風(fēng)冷的方式來(lái)冷卻功率模塊。在尺寸一定的情況下，如何優(yōu)化選擇合適的散熱器，能達(dá)到最佳的散熱效果非常重要［3，4］。

本文研究的是SVG 的功率模塊，該模塊采用空氣強(qiáng)制對(duì)流，翅片式散熱器。結(jié)合整體的布置，風(fēng)速和風(fēng)向一定。散熱器的散熱效果主要受翅片厚度、高度、間距和傾角的影響，影響散熱器散熱能力的因素較多，很難采用理論或者實(shí)際試驗(yàn)的方法判斷散熱器的散熱能力［5～7］。本文主要是在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，采用正交試驗(yàn)的方法，分析各因素對(duì)散熱器的散熱效果的影響，得出最佳的散熱器選擇。

1 功率模塊的物理模型

根據(jù)實(shí)際柜子布置和需求，功率模塊散熱空間如圖1 所示，其中散熱器的尺寸為350 ×284 ×96 mm，為鋁制散熱器。y 軸正方向?yàn)槔鋮s介質(zhì)風(fēng)的入口，入口速度為8 m/s，y 軸負(fù)方向?yàn)槌隹?。散熱器主要是?duì)兩個(gè)IGBT 進(jìn)行散熱，每個(gè)IGBT的熱量約為1 600 W。

圖1 功率模塊模型

2 正交試驗(yàn)方法及其應(yīng)用

正交試驗(yàn)方法是利用正交表來(lái)安排與分析多因素試驗(yàn)的一種設(shè)計(jì)方法。它是從試驗(yàn)因素的全部水平組合中，挑選部分有代表性的水平組合進(jìn)行試驗(yàn)，通過對(duì)這部分試驗(yàn)結(jié)果的分析了解全面試驗(yàn)的情況，找出最優(yōu)的水平組合［8，9］?？捎孟鄳?yīng)的極差分析方法、方差分析方法等對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析得到很多有價(jià)值的結(jié)論。如:各因素對(duì)所考查指標(biāo)影響的大小順序;主要因素與指標(biāo)的關(guān)系等。

本文主要考慮散熱器的翅片厚度、長(zhǎng)度、間距和角度等4 個(gè)因素對(duì)其散熱效果的影響，因此正交表確定為四因素的，而各因素水平數(shù)量的確定應(yīng)滿足正交試驗(yàn)的原則，結(jié)合預(yù)試驗(yàn)的分析，選取的四因素為三水平，各因素水平見表1。

表1 各因素水平

本文試驗(yàn)中，采用L9(34)只需做9 次試驗(yàn)就可以全面分析安排試驗(yàn)，反應(yīng)出各因素與指標(biāo)之間的關(guān)系，故本文選用L9(34)。

3 正交試驗(yàn)及數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模擬結(jié)果

根據(jù)正交試驗(yàn)的原理，采用數(shù)值模擬的方法，按表2 所安排的試驗(yàn)方案進(jìn)行模擬，得到的結(jié)果如圖2 所示。

3.2 正交試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)圖2 模擬結(jié)果，可以得到相應(yīng)的正交試驗(yàn)結(jié)果見表2。最后用極差和方差分析方法對(duì)正交表進(jìn)行分析，具體分析結(jié)果見表3。

表2 試驗(yàn)方案和結(jié)果

圖2 IGBT 溫度分布圖

由表2 數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)以1，3，4 號(hào)試驗(yàn)的IGBT表面溫度最低，達(dá)64 ℃，相應(yīng)的水平組合為(1．A:90°;B:4 mm;C:3 mm;D:70 mm。3．A:90°;B:8 mm;C:5 mm;D:90 mm。4．A:80°;B:4 mm;C:4 mm;D:90。)是在分析數(shù)據(jù)時(shí)IGBT表面溫度最低的3 種組合。但是這3 種組合表面高溫區(qū)域也存在一定的差異，1 號(hào)試驗(yàn)的高溫度區(qū)域相對(duì)較小。在此分析中，諸因素對(duì)應(yīng)的影響有主次之分，這個(gè)主次關(guān)系可用極差(R)來(lái)表達(dá)(如表3)，A，B，C，D 4 個(gè)因素的極差分布為16，8，11，18，由此可以判斷它們對(duì)散熱效果的影響排序?yàn)镈，A，C，B，即翅片高度、翅片傾斜角度、翅片間距、翅片厚度。

表3 IGBT表面最高溫度的極差分析和方差分析

表3 中，Ⅰj，Ⅱj，Ⅲj為“1”，“2”，“3”水平所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)的數(shù)值之和;kk 為同一水平出現(xiàn)的次數(shù);Ⅰj/kj，Ⅱj/kj，Ⅲj/kj為“1”，“2”，“3”水平所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)的平均值;R 為一組數(shù)據(jù)中最大值減去最小值的差值;Sj為偏差平方和

各因素對(duì)IGBT表面溫度高低的影響趨勢(shì)見圖3。從圖中可以看出:隨著翅片角度的減小，IGBT 的表面最高溫度逐漸升高，對(duì)于該翅片散熱器，翅片的角度為垂直時(shí)散熱效果最佳，此時(shí)冷卻介質(zhì)的流速最快，流通率最高。隨著翅片厚度的增加，最高溫度呈現(xiàn)一個(gè)先上升后稍微下降的趨勢(shì)，但是溫度最低點(diǎn)還是在翅片厚度稍薄的點(diǎn)，這是由于對(duì)于特定尺寸的散熱器，翅片的厚度越薄，散熱面積越大，散熱效果越好。

圖3 IGBT表面最高溫度隨各因素的變化趨勢(shì)

隨著翅片間距的增大，溫度越來(lái)越高，間距大的同時(shí)，雖然減少了風(fēng)阻，增大了風(fēng)的流速，但是大間距在一定程度上影響了翅片的數(shù)量，導(dǎo)致散熱面積的降低，從而使散熱效率下降。在結(jié)構(gòu)尺寸允許的條件下，翅片越長(zhǎng)，散熱面積越大，這也促使低溫出現(xiàn)在翅片最長(zhǎng)時(shí)。

根據(jù)分析結(jié)果可得到最優(yōu)組合為A1B1C1D4，即在垂直翅片下，翅片厚度為4 mm，翅片間距為3 mm，翅片長(zhǎng)度為90 mm。圖2 中的最佳方案是在最優(yōu)組合下的溫度分布圖，可以得到IGBT表面最高溫度僅為58．5 ℃。

以上分析僅是在三水平下得到的，更小的翅片厚度和間距下的散熱效果，需要在今后的研究中進(jìn)一步的分析和完善。

4 結(jié)論

(1)實(shí)際工程中，散熱器的尺寸可在一定范圍內(nèi)變化，分析可以得到散熱器翅片的傾斜角度、翅片厚度、翅片間距和長(zhǎng)度是影響其散熱效果的主要因素。

(2)從正交分析可以發(fā)現(xiàn)，翅片的角度對(duì)于該類型的散熱器處于垂直的時(shí)候能夠達(dá)到最佳的散熱效果;散熱器尺寸一定時(shí)，翅片間距越小、翅片厚度越小的情況下能夠達(dá)到較好的散熱效果，從圖3 可以看出，當(dāng)散熱器的翅片厚度增大的多時(shí)，散熱器的散熱效果也有變好的趨勢(shì)。

(3)各因素對(duì)散熱效果影響的排序?yàn)槌崞叨?、翅片傾斜角度、翅片間距、翅片厚度，得到最優(yōu)的散熱器參數(shù)組合方式，這為實(shí)際工程中散熱器的選型提供了方便的分析方法和角度，也對(duì)散熱器的優(yōu)化和選型提出一種新的思路。

［1］范偉，李慧君．電子器件散熱片換熱特性的數(shù)值研究［J］．通用電子器件，2012，14(9):34-37．

［2］徐盛友，陳民鈾，冉立，等．新能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)功率模塊驅(qū)動(dòng)可靠性分析與試驗(yàn)［J］．重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，36(10):42-47．

［3］榮智林，吳舒辭．ICEPAK 在三項(xiàng)PWM 變流器模塊散熱分析中的應(yīng)用［J］．機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2007，20(6):61-62．

［4］黃韜．大容量通用電力電子功率模塊散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］．華電技術(shù)，2013，35(9):15-18．

［5］云和明，程林．基于CFD 的電子器件散熱最優(yōu)間距的數(shù)值研究［J］．電子器件，2007，30(4):1181-1187．

［6］王超，何雅玲，劉迎文，等．基于正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)的電機(jī)散熱的數(shù)值模擬研究［J］．工程熱物理學(xué)報(bào)，2011，32(1):89-92．

［7］陳姿伶．散熱器翅片長(zhǎng)度對(duì)散熱能力影響的仿真研究［J］．實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2005，(21):175-176．

［8］曾芳，朱洪濤，張慧敏．粉煤灰處理含銅廢水的正交實(shí)驗(yàn)研究［J］．華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2003，30(6):94-96．

［9］張建華，邱威，劉念，等．正交設(shè)計(jì)灰色模型在年電力負(fù)荷預(yù)測(cè)中的應(yīng)用［J］．電網(wǎng)與清潔能源，2010，26(2):28-32．

［10］高建強(qiáng)，王艷，馬亞，等．基于正交試驗(yàn)方法的直接空冷風(fēng)機(jī)耗電影響因素分析［J］．汽輪機(jī)技術(shù)，2012，54(6):451-454．