模塊化功率單元散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

邢新波 王江濤 劉 宏 王 磊

上海電氣輸配電集團(tuán) 上海 200042

1 設(shè)計(jì)背景

隨著電力電子技術(shù)和市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,電力電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)趨向于個(gè)性化,用戶(hù)群體對(duì)產(chǎn)品提出的要求越來(lái)越高,包括體積小、質(zhì)量輕、容量大、可擴(kuò)容、外觀簡(jiǎn)潔大方、性能穩(wěn)定優(yōu)良、便于安裝維修等。同等功率單元向體積小型化發(fā)展的同時(shí),防護(hù)等級(jí)要求越來(lái)越高,對(duì)功率單元的整體散熱設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

筆者針對(duì)綜合電能質(zhì)量系列化產(chǎn)品,設(shè)計(jì)了模塊化功率單元的散熱結(jié)構(gòu),將控制系統(tǒng)與易發(fā)熱器件分層布局,并將易發(fā)熱器件設(shè)置在獨(dú)立的散熱風(fēng)腔體內(nèi),提高了模塊化功率單元的功率密度。

2 模塊化概述

所謂模塊化,指對(duì)一個(gè)整體的生產(chǎn)線或機(jī)械設(shè)備進(jìn)行拆分,以求在不同情況下通過(guò)不同的組合達(dá)到不同的效果。模塊化的基本要求是能夠互換,每個(gè)獨(dú)立單元之間以簡(jiǎn)單的方式連接在一起,達(dá)到預(yù)期的目的。模塊化是產(chǎn)品知識(shí)的載體,重用模塊化就是重用設(shè)計(jì)知識(shí),大量利用已有的經(jīng)過(guò)試驗(yàn)、生產(chǎn)、市場(chǎng)驗(yàn)證的模塊,可以減少設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn),降低研發(fā)成本,提高產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。

模塊化功率單元需要保持功能的獨(dú)立性和接口的一致性,可以通過(guò)不斷升級(jí)自身性能來(lái)提高產(chǎn)品的整體性能和可靠性,同時(shí)不影響產(chǎn)品的其它單元。保持功能的獨(dú)立性和接口的一致性,可以使各個(gè)單元進(jìn)行并行開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、驗(yàn)證,通過(guò)不同的組合滿(mǎn)足用戶(hù)的多樣性需求。

3 熱量損耗計(jì)算

絕緣柵雙極晶體管功率模塊通常由絕緣柵雙極晶體管和反并聯(lián)快速恢復(fù)二極管組成。數(shù)據(jù)手冊(cè)中一般會(huì)列出典型結(jié)溫25 ℃和125 ℃下的主要參數(shù),根據(jù)這些參數(shù)可以計(jì)算出一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)功率器件的導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗。功率器件絕緣柵雙極晶體管在開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗,快速恢復(fù)二極管開(kāi)通過(guò)程中的損耗非常小,可忽略不計(jì),在關(guān)斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生反向恢復(fù)損耗。

選用F3L100R07W2E3_B11型絕緣柵雙極晶體管模塊,數(shù)量為六個(gè)。絕緣柵雙極晶體管模塊電路拓?fù)淙鐖D1所示,具體損耗包括絕緣柵雙極晶體管VT1、VT2、VT3、VT4的導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗,二極管VD1、VD2、VD3、VD4、VD5、VD6的導(dǎo)通損耗和反向恢復(fù)損耗。

圖1 絕緣柵雙極晶體管模塊電路拓?fù)?/p>

絕緣柵雙極晶體管飽和壓降為1.6 V,導(dǎo)通電阻為7.5 mΩ。二極管開(kāi)通損耗能量為0.85 mJ,方向恢復(fù)能量為2.15 mJ,門(mén)限電壓為1.5 V,導(dǎo)通電阻為6.25 mΩ,關(guān)斷損耗能量為3.35 mJ。通過(guò)計(jì)算得到VT1、VT4導(dǎo)通損耗為6.8 W,VT2、VT3導(dǎo)通損耗為21.9 W,VT1、VT2、VT3、VT4開(kāi)關(guān)損耗為12.7 W,VD1、VD2、VD3、VD4導(dǎo)通損耗為6.9 W,VD5、VD6導(dǎo)通損耗為14.8 W,VD1、VD4、VD5、VD6反向恢復(fù)損耗為4.7 W,VD2、VD3反向恢復(fù)損耗為0。每個(gè)絕緣柵雙極晶體管模塊的熱量理論計(jì)算值為184 W,仿真時(shí),每個(gè)絕緣柵雙極晶體管模塊損耗按200 W計(jì),六個(gè)絕緣柵雙極晶體管模塊的總損耗為1 200 W。

4 散熱風(fēng)機(jī)選型

散熱風(fēng)機(jī)選型公式為:

q′=Q/(0.335ΔT)

(1)

式中:q′為實(shí)際所需的風(fēng)量;Q為散熱量,為1 200 W;ΔT為空氣溫升,一般為10～15 K。

取ΔT為15 K,計(jì)算得到q′為238.806 m3/h。一般按照1.5～2倍裕量確定散熱風(fēng)機(jī)的最大風(fēng)量,取2倍裕量,則散熱風(fēng)機(jī)最大風(fēng)量為477.612 m3/h。選用三臺(tái)散熱風(fēng)機(jī),則每臺(tái)散熱風(fēng)機(jī)的最大風(fēng)量為159.2 m3/h。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,選取PMD2412PTB3-A(2).GN型散熱風(fēng)機(jī),其靜壓力風(fēng)量如圖2所示。

圖2 散熱風(fēng)機(jī)靜壓力風(fēng)量曲線

5 散熱器選型

散熱器表面積A為:

A=Q/[h(Th-Ta)]

(2)

式中:h為散熱器與空氣表面對(duì)流換熱系數(shù),為30 W/(m2·K);Ta為空氣溫度,取50 ℃;Th為散熱器平均溫度,取85 ℃。

計(jì)算得到散熱器的表面積為1.14 m2。選用XC9014型散熱器,其截面如圖3所示。

圖3 散熱器截面

散熱器深度L為:

L=A/(2ND)

(3)

式中:N為散熱器翅片數(shù)量,為62;D為散熱器翅片高度,為75 mm。

計(jì)算得到散熱器深度為122.58 mm,最終確定散熱器深度為120 mm。

6 熱設(shè)計(jì)原則

熱學(xué)中,傳導(dǎo)方式包含三種,分別為熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射。熱傳導(dǎo)指接觸的兩個(gè)物體之間或同一個(gè)物體內(nèi)部熱由溫度高的部分向溫度低的部分傳遞。熱對(duì)流指固體和周?chē)牧黧w之間由于溫度差而形成的熱傳遞,包含自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流兩種。熱輻射指高溫物體自身發(fā)出電磁能量,被其它物體吸收的過(guò)程。當(dāng)前,整流器所使用的絕緣柵雙極晶體管的溫度還不足以產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱輻射,所以散熱方式以熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流為主。

散熱可以采用自冷、強(qiáng)制風(fēng)冷、熱管、水冷等方式。電力電子設(shè)備常用的散熱方式為強(qiáng)制風(fēng)冷,這一方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,性?xún)r(jià)比較高。在滿(mǎn)足散熱性能同時(shí),減小體積和減少散熱器材料是工程設(shè)計(jì)中需要考慮的問(wèn)題。

散熱器材料一般為銅、鋁、鐵或其合金,查手冊(cè)可知銅導(dǎo)熱系數(shù)為鋁的1.5 倍,為鐵的5倍,綜合考慮散熱效果和成本,以鋁或鋁合金材料居多,且鋁材質(zhì)輕,純鋁質(zhì)軟。

熱設(shè)計(jì)原則為熱損耗大的器件——絕緣柵雙極晶體管設(shè)置在散熱器上部,且均勻排列。絕緣柵雙極晶體管模塊基板與散熱器接觸的位置涂導(dǎo)熱硅脂,填滿(mǎn)空氣間隙,使兩者緊密接觸,降低熱阻,提高散熱效率。

采用控制系統(tǒng)與易發(fā)熱器件分層布局,控制系統(tǒng)位于上層,易發(fā)熱器件位于下層,上下層之間用隔板隔開(kāi),使易發(fā)熱器件處于獨(dú)立的散熱風(fēng)腔體內(nèi),形成獨(dú)立的散熱風(fēng)道。

7 仿真分析

絕緣柵雙極晶體管總損耗為1 200 W,散熱風(fēng)機(jī)為PMD2412PTB3-A(2).GN型,散熱器材料為6061鋁合金,導(dǎo)熱系數(shù)為209 W/(m·K)。散熱器基板厚度為15 mm,翅片高度為75 mm,翅片厚度為3.5 mm,翅片間隙為3.5 mm。環(huán)境初始溫度為50 ℃,散熱器基板的溫升不大于45 K。散熱器與絕緣柵雙極晶體管安裝位置如圖4所示。

圖4 散熱器與絕緣柵雙極晶體管安裝位置

使用常用的傳熱、流體計(jì)算機(jī)輔助工程仿真軟件ICEPAK對(duì)所設(shè)計(jì)的模塊化功率單元散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。根據(jù)散熱器實(shí)際尺寸、絕緣柵雙極晶體管外形尺寸,以及兩者在基板上的安裝位置建立仿真模型,溫度分布如圖5所示。由圖5可見(jiàn),在絕緣柵雙極晶體管最大功耗下,散熱器的溫度最高為94 ℃,最低為68 ℃。散熱器溫度最高點(diǎn)出現(xiàn)在中間絕緣柵雙極晶體管與散熱器接觸的中心位置。

仿真時(shí),散熱器基板的溫升為44 K,小于45 K,可見(jiàn)模塊化功率單元散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)滿(mǎn)足要求。

模塊化功率單元散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)選擇合適的冷卻風(fēng)速,既可以保證安全可靠工作,又能夠兼顧經(jīng)濟(jì)性。仿真風(fēng)速分布如圖6所示,可見(jiàn)冷卻風(fēng)速在5～6 m/s之間。

當(dāng)然,仿真結(jié)果僅代表理論計(jì)算結(jié)果,真實(shí)散熱效果如何,還需要結(jié)合實(shí)際運(yùn)行進(jìn)行驗(yàn)證。

8 結(jié)束語(yǔ)

模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不但可以縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)時(shí)間,提高效率,降低成本,而且有利于更好地指導(dǎo)機(jī)械設(shè)備的加工制造,提高設(shè)計(jì)水平。筆者針對(duì)綜合電能質(zhì)量系列化產(chǎn)品,進(jìn)行模塊化功率單元散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),依托于模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理,先進(jìn)行理論分析,再進(jìn)行實(shí)際仿真,證明了設(shè)計(jì)的有效性。

圖5 仿真溫度分布

圖6 仿真風(fēng)速分布