基于FloTHERM二極管瞬態(tài)熱仿真分析及優(yōu)化方案

李學(xué)文，王鶴，王鋒，王麗嬋

（中機(jī)國際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410007）

隨著國內(nèi)大功率電力電子設(shè)備的發(fā)展，現(xiàn)有的電路不僅功率變大，而且電路的集成程度增加了幾個量級，相應(yīng)地，芯片產(chǎn)生的熱損耗也大幅度增加。功率增加，體積需要縮小或者不變導(dǎo)致熱密度急劇上升，如果維持設(shè)備原有結(jié)構(gòu)，會導(dǎo)致設(shè)備整體或者局部溫度過高從而導(dǎo)致零部件燒毀，嚴(yán)重地甚至導(dǎo)致整機(jī)炸毀引起火災(zāi)。因此，設(shè)備的熱設(shè)計(jì)及熱分析技術(shù)應(yīng)受到廣泛的重視。在現(xiàn)代電力傳輸中，二極管具有舉足輕重的地位，在軌道交通、智能電網(wǎng)航空航天、新能源電動汽車等領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。隨著系統(tǒng)功率的增加，二極管功率損耗也隨之增加，同時，小型化的發(fā)展趨勢對二極管冷卻技術(shù)提出了很高的要求。

針對二極管的散熱問題，使用廣泛且有效的方式是根據(jù)使用工況和工作制對二極管進(jìn)行選型，在選型確定的基礎(chǔ)上，初步計(jì)算二極管的熱流密度，根據(jù)《GB/T 31845-2015電工電子設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)規(guī)范》中熱量密度與溫升關(guān)系圖，選用相對應(yīng)的冷卻方式。該方法適應(yīng)于穩(wěn)態(tài)熱設(shè)計(jì)且相對于熱仿真分析而且設(shè)計(jì)比較粗放，容易造成冷卻裕量太充足而造成成本的增加。

本文以某工程中變頻柜內(nèi)二極管為研究對象，建立了仿真模型，對其熱特性進(jìn)行了熱仿真，并對散熱器進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算。在優(yōu)化基礎(chǔ)上，研究二極管母線電流為50kA下分別為工作制下的瞬態(tài)熱仿真。通過仿真結(jié)果判斷熱設(shè)計(jì)是否可行。

1 模型和散熱方案

1.1 物理模型

本文以中機(jī)國際某三相二極管整流項(xiàng)目為研究對象，進(jìn)線電壓5200VAC，直流輸出瞬時過流電流為50kA，過流時間分為0.8s/3min、3s/3min、3s/30min；冷卻方式，自然/風(fēng)冷。電路原理如圖1所示，初步方案為單相選用多支二極管進(jìn)行并聯(lián)分流，滿足電流和結(jié)溫要求。

本次選用的為瑞田達(dá)公司ZP5600A5200V二極管，基本參數(shù)如表1所示。

圖1 三相二極管整流原理圖

表1 二極管基本參數(shù)

如果該系統(tǒng)長時間運(yùn)行，則需要的二極管數(shù)量為9支（50kA/5600A），顯然，對于本次分析模型工作制，9支二極管的裕量過高，造成項(xiàng)目成本增加。所以，選用合適的二極管數(shù)量并聯(lián)且在不同工作制下二極管運(yùn)行結(jié)溫始終小于二極管最高結(jié)溫對本次項(xiàng)目和分析至關(guān)重要。

二極管的工作環(huán)境溫度為35℃，風(fēng)冷，仿真風(fēng)速為4m/s，散熱器采用插齒T2紫銅散熱器，散熱器為非標(biāo)定制，即長、寬、截長、基地厚度、翅片數(shù)量等參數(shù)可以任意確定。本次單

圖2 ZP5600A5200V二極管外形尺寸圖

式中，P損耗為二極管熱損耗，單位為w；In為直流母線的電流，單位為A；VFM為二極管峰值壓降，單位為V；rT為二極管斜率電阻，單位為Ω。式中忽略了二極管三相電流不平衡，式中第二項(xiàng)系數(shù)2.4為二極管導(dǎo)通損耗和關(guān)斷損耗的簡化。

本次仿真母線側(cè)電流In為50kA，二極管峰值壓降VFM為1.73V，二極管斜率電阻rT為0.10mΩ，代入式1.1中得，總熱損耗P損耗約為101915W。

1.2 FloTHERM分析模型

本文主要考慮系統(tǒng)中并聯(lián)的二極管數(shù)量和散熱的設(shè)計(jì)及優(yōu)化。分析模型如圖3所式，模型兩側(cè)為非標(biāo)散熱器，由于安裝尺寸的要求，暫定散熱器寬度為300mm，截長為350mm，基底厚為10mm，翅片數(shù)量為17，翅片高度為60mm；二極管的安裝為左右散熱器進(jìn)行夾裝，夾裝裝置在本次仿真中忽略。在二極管與散熱器配合面上，涂有0.2mm導(dǎo)熱硅脂，系統(tǒng)中散熱器、導(dǎo)熱硅脂、二極管材料參數(shù)如表2所示。

圖3 FloTHERM分析模型

表2 零部件材料參數(shù)

2 優(yōu)化和仿真分析

2.1 熱分析基本理論

熱傳遞有三種基本方式：熱傳導(dǎo)、對流、輻射。

熱傳導(dǎo)為物體各部分之間不發(fā)生相對位移，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動而產(chǎn)生的熱量傳遞。熱傳遞現(xiàn)象的規(guī)律總結(jié)為傅里葉定律，即在導(dǎo)熱現(xiàn)場中，單位時間內(nèi)通過的給定截面的熱量正比例于垂直于該界面方向上的溫度變化率和截面面積。

其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：Q為熱量流量，單位為W；A為垂直與熱流方向的截面面積，單位為m2；?t?x為溫度t在x方向的變化率。式中，符號表示熱量傳遞方向指向溫度降低的方向。比例系數(shù)λ稱為導(dǎo)熱系數(shù)，其單位為W/(mK)。導(dǎo)熱系數(shù)是表征材料導(dǎo)熱性能優(yōu)劣的參數(shù)。

對流換熱是指流動的流體與其相接觸的固體表面之間，在二者具有不同的溫度時所發(fā)生的能量轉(zhuǎn)移過程。按照流體產(chǎn)生流動的不同原因，可分為自然對流和強(qiáng)制對流。自然對流是由于流體冷熱各部分密度不同所致，而強(qiáng)制對流則由于外力（風(fēng)機(jī)、水泵等）迫使流體流動。對流換熱以牛頓冷卻公式為其基本計(jì)算式，即對流換熱量

式中，A為換熱面積，單位為m2；Δt為流體與壁面的溫差，單位為℃；α為對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，單位為W/（m2K）；式（2）表明，對流換熱量與換熱面積和溫差成正比例，比例常數(shù)為對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。

輻射換熱是指由于熱的原因而產(chǎn)生的電磁波輻射稱為熱輻射。熱輻射的電磁波是物理內(nèi)部微觀粒子的熱運(yùn)動狀態(tài)改變時激發(fā)出來的。兩非黑體凸表面和周圍環(huán)境空氣之間的換熱公式可簡化為

式中，Qr非黑體凸表面和周圍環(huán)境之間的輻射換熱量，單位為W；oσ為黑體輻射常數(shù)，其值為5.67×108W/(m2K4)；1ε物理的黑度；A1非黑體凸表面面積，單位為m2；T1非黑體凸表面溫度，單位為℃；Ta為周圍環(huán)境溫度。

本次仿真中，忽略輻射影響。

從式（1）可知，選用導(dǎo)熱系數(shù)較高的材料和增大導(dǎo)熱面積能改善熱傳遞，所以本文選用導(dǎo)熱系數(shù)較高的T2紫銅而沒有選擇常用的鋁散熱器；通過式（2）可知，選用強(qiáng)迫風(fēng)冷可以增大對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，從而提高對流換熱能力，在選用散熱器時，通過對散熱器的翅片參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，可以在高對流換熱能力情況下，增大換熱面積從而改善對流換熱能力。

2.2 初步仿真分析

初步仿真分析的目的是為了確定在某種工作制下，大約需要的并聯(lián)二極管數(shù)量，初步仿真方案如表3所示。

表3 仿真方案參數(shù)表

在初步仿真中，方案1、3結(jié)果相同，具體如圖4左圖所示。從仿真曲線可以看出，運(yùn)行3s，二極管結(jié)溫大約在110℃小于最高結(jié)溫，初步判斷兩方案可用。仿真方案2結(jié)果如圖4右圖所示，從仿真曲線可以看出，運(yùn)行0.8s，二極管的結(jié)溫大約在120℃左右，小于最高結(jié)溫，初步判斷可用。

圖4 初步仿真溫升曲線（左圖為方案1、方案3，右圖為方案2）

2.3 散熱器優(yōu)化分析

在散熱器長、寬、截長確定的條件下，齒片的布置影響氣流在齒片內(nèi)的流速和對流換熱系數(shù)，從而影響對流換熱效果。本文對散熱器的齒片設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。基板厚度為固定值10mm，以齒寬（0.5～5mm）、齒片數(shù)量（6～40）和齒片高度（10～60mm）為輸入變量，以二極管的結(jié)溫為輸出變量，建立優(yōu)化函數(shù)進(jìn)行仿真。輸入變量及其變化范圍如表3所示，優(yōu)化模塊自動形成20組實(shí)驗(yàn)方案如表4所示。

表4 輸入變量及變化范圍

表5 實(shí)驗(yàn)方案具體參數(shù)

實(shí)驗(yàn)方案計(jì)算完成后，通過響應(yīng)面優(yōu)化得到輸入變量在變化范圍內(nèi)的組合如表6所示。

表6 輸入變量最優(yōu)組合

圖5a為散熱器翅片數(shù)量和散熱器翅片高度變化范圍內(nèi)二極管節(jié)點(diǎn)溫度分布圖，圖5b為散熱器翅片數(shù)量和散熱器翅片寬度變化范圍內(nèi)二極管節(jié)點(diǎn)溫度分布圖，圖5c為散熱器翅片寬度和散熱器翅片高度變化范圍內(nèi)二極管節(jié)點(diǎn)溫度分布圖，從圖5a、5b中可以看出，在確定翅片寬度條件下，翅片越高，齒數(shù)越多二極管結(jié)溫越低。此現(xiàn)象符合常理，在風(fēng)機(jī)風(fēng)速不變的情況下，翅片越高，齒數(shù)越多，散熱面積越大，而熱源的溫度越低。但在任一翅片高度條件下翅片厚度和翅片個數(shù)都能找到一個使熱源溫度最低的情況；從圖5c中可以看出，翅片厚度和齒片個數(shù)二極管節(jié)點(diǎn)溫度的影響是相關(guān)的，不同翅片厚度條件下都能找到一個使結(jié)溫最低的翅片個數(shù)，并且該數(shù)值不是固定值。

圖5 二極管結(jié)溫隨散熱器翅片高度、翅片厚度、翅片數(shù)量的分布曲面

通過優(yōu)化分析，可知翅片越高，散熱越好。本次翅片高度選擇60mm，在60mm翅片高度的條件下，可知不同齒厚情況下，結(jié)溫最低點(diǎn)對應(yīng)的齒數(shù)不同。從圖6可知，當(dāng)齒厚為1.8mm時，齒數(shù)在17時，結(jié)溫最低溫度約為115.7℃。

圖6 不同翅片厚度情況下翅片數(shù)量對二極管結(jié)溫的影響（翅片高度為60mm）

2.4 精確仿真分析

通過2.2小節(jié)可知，系統(tǒng)在散熱器齒數(shù)為17，翅片高度為60mm，齒厚為1.8mm時，系統(tǒng)散熱器能力最好，采用該方案對代入初步方案并驗(yàn)證方案的可行性。

表7 仿真參數(shù)表

仿真方案4（ZP5600A5200V 4支并聯(lián)、工作制3s/3min），仿真周期5T，仿真結(jié)果如圖7所示，從仿真結(jié)果可知，900s內(nèi)二極管最高結(jié)溫為125℃左右，小于最高結(jié)溫，說明該方案可行；對比仿真方案1，優(yōu)化后的系統(tǒng)前3s內(nèi)二極管運(yùn)行結(jié)溫由115～110℃。優(yōu)化后，散熱能力明顯增強(qiáng)。

仿真方案5（ZP5600A5200V單支、工作制0.8s/3min），仿真周期5T，仿真結(jié)果如圖8所示，從仿真結(jié)果可知，900s內(nèi)二極管最高結(jié)溫為105℃左右，小于最高結(jié)溫，說明該方案可行；對比仿真方案2，優(yōu)化后的系統(tǒng)前3s內(nèi)二極管運(yùn)行結(jié)溫由115℃到99℃。優(yōu)化后，散熱能力明顯增強(qiáng)。

圖7 四支并聯(lián)溫度、工作制3s/3min

圖8 四支并聯(lián)溫度、工作制0.8s/3min

仿真方案6（ZP5600A5200V四支、工作制3s/30min），仿真時間900s，仿真結(jié)果如圖9a所示，從仿真結(jié)果可知，900s內(nèi)二極管最高結(jié)溫為99℃左右，小于最高結(jié)溫，且在900s時二極管結(jié)溫基本恢復(fù)到環(huán)境問題，說明該方案可行；對比仿真方案3，優(yōu)化后的系統(tǒng)前3s內(nèi)二極管運(yùn)行結(jié)溫由110℃降到99℃，優(yōu)化后，散熱能力明顯增強(qiáng)。

仿真方案6中，方案裕量過大，對該方案4支并聯(lián)二極管進(jìn)行數(shù)量的減少，由四支變成三支，仿真結(jié)果如圖9b所示，從圖可以看出二極管最高結(jié)溫為120℃，說明該方案仍可行。

圖9 仿真溫度曲線（工作制3s/30min）

3 結(jié)語

通過運(yùn)用Flotherm軟件對三種工作制下的二極管進(jìn)行仿真和優(yōu)化可知：

（1）運(yùn)行Flotherm軟件可以初步判斷，在三種工作制條件下所需并聯(lián)的二極管數(shù)量，可初步仿真結(jié)果可知，在3s/30min和3s/3min工作制下所需的并聯(lián)二極管數(shù)量為4支，在0.8s/3min工作制下所需的二極管數(shù)量為1支。

（2）通過軟件對散熱器翅片數(shù)量、翅片高度、翅片厚度進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果與理論分析一致，且當(dāng)翅片高度為60mm，翅片數(shù)量為17片，翅片厚度為1.8mm時，散熱器在風(fēng)速條件為4m/s的條件散熱能力最好。

（3）運(yùn)用優(yōu)化后的散熱器仿真分析三種工作制下二極管的結(jié)溫，仿真分析發(fā)現(xiàn)，在3s/3min、3s/30min工作制下4支并聯(lián)以及在0.8s/3min工作制下單支均滿足要求。

（4）在相同工作制下，優(yōu)化后的散熱器結(jié)溫明顯低于優(yōu)化前，且在3s/30min工作制下，4支二極管并聯(lián)結(jié)溫為99℃，裕量過大；通過減少并聯(lián)二極管仿真發(fā)現(xiàn)，在采用優(yōu)化后的系統(tǒng)，系統(tǒng)可減少為3支二極管并聯(lián)的結(jié)溫為120℃，仍小于最高結(jié)溫，方案可行滿足要求。