風(fēng)電變流器IGBT模塊的冷板設(shè)計(jì)

姜紅霞， 谷 操， 靳 霏， 趙 真

(1.中國北方車輛研究所，北京 100072；2.三一重型能源裝備有限公司，北京 102202)

風(fēng)電變流器IGBT模塊的冷板設(shè)計(jì)

姜紅霞1， 谷 操1， 靳 霏1， 趙 真2

(1.中國北方車輛研究所，北京 100072；2.三一重型能源裝備有限公司，北京 102202)

針對某2.0MW風(fēng)電變流器IGBT模塊的散熱需求，對其散熱部件——冷板進(jìn)行幾何參數(shù)和性能參數(shù)(表面溫度和流動阻力)的設(shè)計(jì)和計(jì)算，特別是對介質(zhì)的對流換熱系數(shù)進(jìn)行了理論推導(dǎo)和計(jì)算.對冷板的仿真分析和裝機(jī)試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的冷板能夠同時滿足表面溫度低于80℃、介質(zhì)流動阻力小于1bar的參數(shù)要求，保證了IGBT模塊可靠工作.

風(fēng)電變流器；IGBT模塊；冷板

風(fēng)電變流器可以優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)寬風(fēng)速范圍內(nèi)的恒頻發(fā)電，改善風(fēng)機(jī)效率和傳輸鏈的工作狀況，提升風(fēng)能利用率.其工作正常與否，很大程度上取決于其功率柜內(nèi)IGBT模塊的工作狀態(tài).近年來，隨著IGBT模塊日趨小型化、集成化, 使得其單位體積發(fā)熱量逐步增加，熱失效已成為導(dǎo)致IGBT模塊損壞的主要原因之一，因此其熱設(shè)計(jì)應(yīng)力求準(zhǔn)確.IGBT模塊的散熱一般通過冷板來實(shí)現(xiàn)，冷板是一種單流體換熱器，可以有效地帶走IGBT模塊中的損耗熱量，有利于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化及輕量化.

1 設(shè)計(jì)要求

某2.0MW風(fēng)電變流器功率柜內(nèi)共有6個IGBT模塊，每兩個為一組, 兩IGBT模塊之間由橋型零件安裝固定，間距為固定值(272.5 mm)無法改變.每個IGBT模塊的損耗熱量為6.65 kW，橋型零件上安裝的傳感器無損耗熱量.每組IGBT模塊的外形結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 IGBT模塊外形圖

冷卻介質(zhì)為50%(體積濃度)乙二醇溶液，流量為45 L/min，進(jìn)入冷板的溫度為45 ℃，單個IGBT模塊的發(fā)熱量為6.65 kW，共6個，總發(fā)熱量為6.65 kW×6=39.9 kW.要求冷板表面溫度不大于80 ℃，介質(zhì)流動阻力(冷板入口至出口)不大于1.0 bar.

2 冷板結(jié)構(gòu)及幾何參數(shù)的確定

依據(jù)2.0MW風(fēng)電變流器IGBT模塊的外形尺寸及安裝特點(diǎn)，結(jié)合冷板在變流器功率柜內(nèi)的安裝方式，同時考慮目前的機(jī)械加工能力，初步確定冷板的材料、外形尺寸及內(nèi)部流道的各項(xiàng)參數(shù)[1]，詳見表1.

表1 冷板幾何參數(shù)

每個IGBT模塊的發(fā)熱量很大，因此在冷板內(nèi)部對應(yīng)IGBT模塊安裝位置集中布置流道，后續(xù)計(jì)算如果無法滿足要求再擴(kuò)充流道范圍進(jìn)行強(qiáng)化散熱.考慮冷板的進(jìn)出口位置及流動阻力要求，將流道走向設(shè)計(jì)為串并聯(lián)結(jié)合的流動形式(散熱介質(zhì)依次對每個模塊散熱的形式為串聯(lián)，同時對多個模塊散熱的形式為并聯(lián)).冷板內(nèi)的流道走向和流道布局見圖2，冷板表面除安裝6個IGBT模塊外，還為6個放電電阻預(yù)留了安裝孔位.放電電阻的發(fā)熱功率很小(單個50 W)，在后續(xù)熱計(jì)算中可忽略不計(jì).

圖2 冷板流道布置圖

3 冷板表面溫度和介質(zhì)流動阻力的計(jì)算

3.1 冷板表面平均溫度計(jì)算

液冷冷板的換熱計(jì)算，根據(jù)對流換熱方程和能量平衡方程進(jìn)行.參照GB/T 15428-1995《電子設(shè)備用冷板設(shè)計(jì)導(dǎo)則》中均溫冷板的計(jì)算方法對冷板進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算[2].標(biāo)準(zhǔn)中僅對計(jì)算步驟進(jìn)行簡單描述，缺少關(guān)鍵參數(shù)——對流換熱系數(shù)的計(jì)算方法.下面的計(jì)算過程中對這部分內(nèi)容予以研究.

安裝于冷板上的IGBT模塊的耗散熱量Qc通過對流換熱傳至冷板，應(yīng)與冷板通道內(nèi)循環(huán)流動的冷卻介質(zhì)吸收的熱量相平衡，即

Qc=Qa.

(1)

據(jù)此,可以推導(dǎo)出冷板表面平均溫度ts的計(jì)算公式.為滿足IGBT模塊的散熱需求，ts應(yīng)小于冷板的許用表面溫度[ts].

(2)

式中：t1、t2分別為介質(zhì)在冷板進(jìn)口、出口處的溫度；NTU為傳熱單元數(shù).

t2可根據(jù)式(1)推導(dǎo)得出，如式(3)所示.經(jīng)計(jì)算，當(dāng)t1=45 ℃時，t2=59.8 ℃.

(3)

式中：Qc為總散熱量，取值39.9kW；qm為質(zhì)量流量，由體積流量換算得到，為0.79kg/s；定壓比熱Cp和比重ρ按照進(jìn)口、出口平均溫度選取，ρ取值1 058.09kg/m3、Cp取值3.396kJ/(kg·K).

NTU可通過式(4)計(jì)算得出.

(4)

式中：h為對流換熱系數(shù)，kW/(m2·K)，可通過公式(5)計(jì)算得出；η0為冷板的總效率，可通過相應(yīng)的公式[3]計(jì)算得出，經(jīng)計(jì)算為0.803；A為冷板的對流換熱面積，可根據(jù)冷板內(nèi)部流道的結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算得出，A=0.49 m2.

對流換熱系數(shù)可通過式(5)計(jì)算得出.

h=J·G·cp·Pr-2/3，

(5)

式中：J為考爾本數(shù)，與肋片的結(jié)構(gòu)型式和雷諾數(shù)有關(guān)，經(jīng)查相應(yīng)的J-f(Rc)關(guān)系曲線圖得出，J=0.004；G為單位面積的質(zhì)量流量，可以根據(jù)及冷板內(nèi)部通道的結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算得出，G=2 480 kg/(s·m2)；Pr為普朗特?cái)?shù)，查表可得，Pr=12.8.代入后得到h=6.16 kW/(m2·K).

將計(jì)算出的數(shù)值代入公式(4)進(jìn)行計(jì)算得出：NTU=0.898.

最后將t1、t2和NTU數(shù)值代入公式(2)計(jì)算ts.

ts=69.9 ℃≤[ts]，其中[ts]=80℃.

綜上所述，目前的冷板設(shè)計(jì)方案能夠滿足IGBT模塊的散熱需求.

3.2 介質(zhì)流動阻力計(jì)算

冷板流道中冷卻介質(zhì)的壓降應(yīng)小于許用壓降[?P].?P的計(jì)算公式為

(6)

式中：ρ1、ρ2分別為介質(zhì)在冷板進(jìn)口、出口溫度處的密度，ρ1=1 060.94 kg/m3，ρ2=1 052.04 kg/m3；ρm為冷卻介質(zhì)的平均密度，ρm=1 056.49 kg/m3；σ為冷板通道橫截面積與冷板橫截面積之比，σ=0.552；ε為摩擦系數(shù)，可查表得到ε=0.012；Ac為通道截面積，可由冷板內(nèi)部流道的結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算得出，Ac=0.000 32 m2；Kc為冷卻介質(zhì)入口時的壓力損失系數(shù)，依據(jù)不同的通道形式，可查表Kc=f(Re，σ)得到Kc=0.55；Ke為冷卻介質(zhì)出口時的壓力損失系數(shù)，依據(jù)不同的通道形式，可查表Ke=f(Re，σ)得到Ke=0.45.

代入公式(7)后，可得△P=0.69 bar≤[△P]，其中[△P]=1.0 bar

目前的冷板設(shè)計(jì)方案能夠滿足冷卻介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)的阻力要求.

4 仿真分析

采用ANSYS公司開發(fā)的專業(yè)電子熱分析軟件ICEPAK進(jìn)行仿真分析[4].

按照冷板的外形尺寸和流道布置圖建立三維模型，根據(jù)軟件建模的特點(diǎn)和要求，同時為簡化網(wǎng)格劃分，在保證仿真結(jié)果不失真的前提下，對仿真模型進(jìn)行部分簡化，主要內(nèi)容如下：

1)忽略IGBT模塊與周圍空氣的對流換熱；

2)忽略輻射散熱因素；

3)忽略所有螺釘孔以及與冷板傳熱關(guān)系不大的局部部件[5].

參照冷板的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行邊界條件的設(shè)置，進(jìn)行仿真運(yùn)算后得到冷板表面溫度分布云圖(圖3)和冷卻介質(zhì)流動阻力分布云圖(圖4).

由圖3、圖4可以看出：冷卻介質(zhì)自左側(cè)入口流入冷板通道，自右側(cè)出口流出，流動過程中不斷吸收熱量溫度升高，冷板表面最高溫度可達(dá)78.1 ℃≤[ts]，滿足IGBT模塊的散熱需求.冷卻介質(zhì)流動阻力約為0.76 bar≤[△P]，滿足冷卻介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)的阻力要求.

圖3 冷板表面溫度分布云圖

圖4 冷卻介質(zhì)流動阻力分布云圖

5 裝機(jī)試驗(yàn)及試驗(yàn)結(jié)果分析

5.1 冷板裝機(jī)試驗(yàn)

將按照前述設(shè)計(jì)方案加工制造完成的冷板交付客戶，客戶裝機(jī)后進(jìn)行了運(yùn)行試驗(yàn).試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果為：冷板表面最高溫度76.8 ℃≤[ts]，介質(zhì)流動阻力0.81 bar≤[△P]，即冷板能夠滿足IGBT的散熱需求，同時滿足冷卻介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)的阻力要求.

5.2 對比分析

針對某2.0MW風(fēng)電變流器IGBT模塊的冷板分別進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算、仿真分析和裝機(jī)試驗(yàn)，各項(xiàng)結(jié)果如表2所示.參照GB/T 15428-1995《電子設(shè)備用冷板設(shè)計(jì)導(dǎo)則》中均溫冷板的計(jì)算方法，設(shè)計(jì)計(jì)算得出的冷板表面平均溫度，與仿真分析得出的平均溫度數(shù)值接近，說明設(shè)計(jì)計(jì)算中各項(xiàng)參數(shù)計(jì)算和系數(shù)的選取是準(zhǔn)確的.在實(shí)際工況中，冷板表面不可能是均溫的，隨著冷卻介質(zhì)不斷流動吸熱升溫，冷板表面溫度也逐步升高.因此，僅通過計(jì)算得出平均溫度不超出允許范圍，無法確保冷板表面不超溫.與之對應(yīng)的，仿真分析能夠綜合模擬發(fā)熱元件IGBT模塊對冷板的加熱和冷卻介質(zhì)對冷板的散熱，得出冷板表面溫度分布云圖，較為準(zhǔn)確地預(yù)測出冷板表面的最高溫度值及其出現(xiàn)的具體位置，便于有針對性地采取強(qiáng)化傳熱措施.

對介質(zhì)流動阻力的計(jì)算和仿真分析與前述情況類似，設(shè)計(jì)計(jì)算僅得出阻力值，仿真分析在得出阻力值的基礎(chǔ)上繪制出阻力分布云圖，可以更加直觀地看出阻力分布的具體情況，便于對應(yīng)采取相應(yīng)的措施降低流動阻力，更好的滿足設(shè)計(jì)要求.

裝機(jī)試驗(yàn)是對設(shè)計(jì)計(jì)算和仿真分析的最終檢驗(yàn)，真實(shí)反映冷板的工作狀態(tài)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)計(jì)算及仿真分析的準(zhǔn)確性.由表2可以看出，理論計(jì)算、仿真分析與裝機(jī)試驗(yàn)得出的結(jié)果基本一致，均證明了冷板能夠滿足設(shè)計(jì)要求.

表2 傳熱計(jì)算與仿真分析結(jié)果對比

6 結(jié)束語

針對某2.0MW風(fēng)電變流器IGBT模塊的冷板進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算、仿真分析和裝機(jī)試驗(yàn)，結(jié)果均表明，冷板能夠滿足表面溫度低于80℃、流動阻力小于1 bar的指標(biāo)要求，能夠保證IGBT模塊正常工作，進(jìn)而保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)轉(zhuǎn).

[1] 馮 靜.液體冷板計(jì)算仿真研究[J].艦船電子對抗，2013，36(2)：20-22.

[2] GB/T 15428-1995，電子設(shè)備用冷板設(shè)計(jì)導(dǎo)則[S].北京：國家技術(shù)監(jiān)督局，1995.

[3] 趙惇殳，等.電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)[M].電子工業(yè)出版社，2009：127.

[4] 王永康.ANSYS ICEPACK電子散熱基礎(chǔ)教程[M].國防工業(yè)出版社，2015：1.

[5] 任 恒，關(guān)宏山，彭 偉.固態(tài)發(fā)射機(jī)末級組件熱設(shè)計(jì)[J].制冷與空調(diào)，2016，16(3)：17-20.

Design of the Cold Plate Used for IGBT Moduleof Wind Power Converter

JIANG Hong-xia1， GU Cao1， JIN Fei1， ZHAO Zhen2

(China North Vehicle Research Institute，Beijing 100072，China；SANY Heavy Energy Equipment Co. Ltd., Beijing 102202，China)

Acording to the requirements of cooling design for IGBT module of the wind power converter-cold plate, geometric parameters and performance parameters(surface temperature and flow resistance) were calculated, in special, the convective heat transfer coefficient of the medium was theoretically deduced and calculated. After that, the converter-cold plate was analyzed and tested under the simulative and practical environment. The experimental results show that the designed cold plate can meet the requirement that the surface temperature remains below 80℃ and the medium flow resistance is less than 1bar, which concludes that the IGBT module can work reliably.

wind power converter; IGBT module;cold Plate

1009-4687(2017)01-0051-04

2016-10-28； 修回稿日期：2016-12-21.

姜紅霞(1978-)，女，副研究員，研究方向?yàn)檐囕v及電子設(shè)備冷卻技術(shù).

TM46

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