一種高耐候性牽引輔助變流器熱仿真分析*

宮 帥，劉 直，殷振環(huán)，宋術(shù)全

（北京縱橫機(jī)電科技有限公司，北京 100094）

隨著世界高速鐵路的快速發(fā)展，高速列車的運(yùn)行區(qū)域和運(yùn)行環(huán)境不斷拓展，高寒地區(qū)高速鐵路的建設(shè)也越來(lái)越多。近年來(lái)，我國(guó)相繼研制出適應(yīng)-40～40℃環(huán)境運(yùn)用的高速動(dòng)車組，如CRH380B高寒動(dòng)車組、中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組等。針對(duì)-40～40℃這一環(huán)境下的動(dòng)車組國(guó)內(nèi)外也已經(jīng)進(jìn)行了很多的理論研究，同時(shí)也具有了很多的運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)［1-4］。隨著我國(guó)高鐵逐漸走出國(guó)門走向世界，高鐵設(shè)計(jì)必須具有滿足全球市場(chǎng)需求的國(guó)際化軌道交通技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、裝備和服務(wù)能力體系。由于歐亞大陸不同國(guó)家之間的氣候差別非常大，因此作為高速動(dòng)車組核心部件的牽引輔助變流器必須具有高耐候性，可以在-50～40℃溫度范圍下長(zhǎng)期正常運(yùn)營(yíng)。這就要求設(shè)計(jì)者必須具有高耐候性牽引輔助變流器的設(shè)計(jì)能力，掌握-50～40℃運(yùn)用溫度下?tīng)恳o助變流器的關(guān)鍵技術(shù)，提高在國(guó)際市場(chǎng)的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力。目前，對(duì)于-50～40℃極端運(yùn)用環(huán)境下的研究還比較少，對(duì)于-50～40℃運(yùn)用環(huán)境的研究有助于提升產(chǎn)品的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

文中利用熱仿真分析方法，以高速動(dòng)車組牽引輔助變流器為研究對(duì)象，采用計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）軟 件Flo-THERM進(jìn)行相關(guān)的研究。首先在仿真軟件中建立了相應(yīng)的仿真計(jì)算模型，并通過(guò)樣機(jī)的溫升試驗(yàn)對(duì)于仿真模型的準(zhǔn)確性和可行性進(jìn)行驗(yàn)證。之后在環(huán)境溫度-50～40℃這2種極端環(huán)境下對(duì)高速動(dòng)車組牽引輔助變流器進(jìn)行了仿真計(jì)算，得到功率模塊水冷基板的溫度變化情況等詳細(xì)信息，為在-50～40℃溫度區(qū)間運(yùn)行的高速動(dòng)車組牽引輔助變流器的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和參考。

1 熱分析

1.1 熱仿真計(jì)算

熱能的傳遞有3種基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。熱仿真設(shè)計(jì)是根據(jù)熱能傳遞的基本原理，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的初期，利用仿真軟件建立產(chǎn)品的虛擬模型，預(yù)測(cè)產(chǎn)品內(nèi)部的氣流流動(dòng)、溫度分布和熱量傳遞過(guò)程。根據(jù)仿真結(jié)果可以識(shí)別產(chǎn)品存在的熱風(fēng)險(xiǎn)，并且進(jìn)一步提高產(chǎn)品的可靠性。

熱仿真軟件進(jìn)行仿真分析的主要流程包括建立幾何模型、設(shè)定初始條件和邊界條件、劃分網(wǎng)格、仿真計(jì)算、仿真結(jié)果的后處理等環(huán)節(jié)，各個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)的合理與否直接關(guān)系到仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，求解流程如圖1所示。

圖1 FloTHERM軟件求解流程

1.2 冷卻液性質(zhì)

動(dòng)車組變流器冷卻液采用Antifrogen N與水的混合液，冷卻液的性質(zhì)與Antifrogen N和水的混合比例有關(guān)。

Antifrogen N和水的混合物的防凍性隨著Antifrogen N的體積濃度不同而變化，Antifrogen N的體積濃度越大，冷卻液的冰點(diǎn)越低，防凍性越好。根據(jù)Antifrogen N性能特性可知，當(dāng)環(huán)境溫度最低為-40℃時(shí)，冷卻液的配比Antrifrogen N液∶水為56∶44即可滿足條件；當(dāng)環(huán)境溫度最低達(dá)到-50℃時(shí)，需要重新調(diào)整冷卻液的配比以提高其防凍性，冷卻液的配比需要調(diào)整為Antrifrogen N液∶水為60∶40。

在溫度保持不變的情況下，隨著冷卻液中Antifrogen N的體積濃度增加，冷卻液的黏度增大，冷卻液的密度也隨之增大，冷卻液的熱導(dǎo)率則隨著Antifrogen N的體積濃度增加而減小。因此，提高Antifrogen N的體積濃度，雖然可以提升冷卻液的防凍性，但是冷卻液的導(dǎo)熱能力則會(huì)下降，流阻也會(huì)相應(yīng)的增大，散熱能力會(huì)隨之下降。

2 變流器構(gòu)成及損耗計(jì)算

牽引輔助變流器機(jī)箱內(nèi)主要包含功率模塊、電容、TCU、輔助變壓器、電感、冷卻單元等部件。牽引輔助變流器內(nèi)主要發(fā)熱部件是絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）、輔助變壓器、電感、電容等。IGBT是變流器運(yùn)行過(guò)程中可靠性要求最高的關(guān)鍵器件，IGBT的熱量主要通過(guò)水冷基板散出。此次研究主要針對(duì)功率模塊進(jìn)行。

2.1 IGBT的功率損耗計(jì)算方法

IGBT的功率損耗分為IGBT的通態(tài)損耗和開(kāi)關(guān)損耗以及反并聯(lián)二極管的功率損耗。目前計(jì)算IGBT的功率損耗的方法有多種：

（1）基于物理結(jié)構(gòu)的IGBT損耗模型：深入分析IGBT器件構(gòu)造和原理，利用電阻、電感、電容、電流源、電壓源等基本元件建立IGBT的等效電路模型。

（2）基于數(shù)學(xué)方法的IGBT損耗模型：這種方法與器件的具體類型無(wú)關(guān)，它是基于大量數(shù)據(jù)的測(cè)量，尋找出功耗與各個(gè)影響因素的數(shù)量關(guān)系。

（3）損耗近似公式：對(duì)于特定類型的電路，可以通過(guò)IGBT工作特點(diǎn)推導(dǎo)損耗近似公式。

（4）使用IGBT功耗仿真軟件：各大IGBT廠商都開(kāi)發(fā)了仿真軟件，例如英飛凌的IPOSIM、三菱的Melcosim、富士的IGBT simulator等［5-7］。

2.2 IGBT的損耗計(jì)算

2.2.1 單個(gè)IGBT通態(tài)損耗

平均通態(tài)損耗計(jì)算公式為式（1）：

式中：VCEsat是IGBT的飽和壓降，Iav是IGBT通態(tài)電流平均值，二者相乘后得到IGBT的平均通態(tài)損耗為Psat。

2.2.2 單個(gè)IGBT關(guān)斷損耗

實(shí)際關(guān)斷損耗計(jì)算公式為式（2）：

式中：fsw為每秒鐘內(nèi)IGBT關(guān)斷次數(shù)；Eoff為IGBT關(guān)斷電壓和關(guān)斷電流分別為Vstdoff和Istdoff時(shí)的關(guān)斷損耗；根據(jù)IGBT實(shí)際平均關(guān)斷電壓Vavoff和平均關(guān)斷電流Iavoff進(jìn)行折算得到的實(shí)際關(guān)斷損耗Poff。

2.2.3 單個(gè)IGBT開(kāi)通損耗

實(shí)際開(kāi)通損耗計(jì)算公式為式（3）：

式中：fsw為每秒鐘內(nèi)IGBT開(kāi)通次數(shù)；Eon為IGBT開(kāi)通電壓和開(kāi)通電流分別為Vstdon和Istdon時(shí)的開(kāi)通損耗；根據(jù)IGBT實(shí)際平均開(kāi)通電壓Vavon和平均開(kāi)通電流Iavon進(jìn)行折算得到的實(shí)際開(kāi)通損耗Pon。

2.3 二極管的損耗計(jì)算

二極管的損耗包括二極管的前向通態(tài)損耗和反向恢復(fù)損耗，二極管通態(tài)損耗的計(jì)算公式為式（4）：

式中：VF為二極管的前向通態(tài)壓降；Iav為二極管的平均通態(tài)電流。

逆變器中二極管的反向恢復(fù)損耗決定于反向恢復(fù)電流的大小，其計(jì)算公式為式（5）：

式中：Ere為電流為反向恢復(fù)電流IE時(shí)的損耗；fsw為開(kāi)關(guān)頻率；I為實(shí)際電流值。

綜上所述，單個(gè)IGBT封裝模塊總損耗為式（6）：

3 熱仿真分析

文中仿真使用的FloTHERM軟件是目前主流的電子電氣三維熱仿真軟件，可應(yīng)用于封裝元件、PCB板、系統(tǒng)設(shè)備和數(shù)據(jù)中心等不同等級(jí)，廣泛應(yīng)用于通訊、電力能源、計(jì)算機(jī)、消費(fèi)電子、半導(dǎo)體、汽車、航天和機(jī)車等行業(yè)領(lǐng)域。該次仿真在額定工況下進(jìn)行，具體參數(shù)見(jiàn)下文。

3.1 熱仿真模型的建立與試驗(yàn)驗(yàn)證

首先建立所研究的牽引輔助變流器的仿真模型，通過(guò)在樣機(jī)上進(jìn)行溫升試驗(yàn)，對(duì)于仿真模型的準(zhǔn)確性和合理性進(jìn)行驗(yàn)證。冷卻液配比Antrifrogen N液∶水為56∶44。

3.1.1 模型建立

在SolidWorks三維繪圖軟件中建立所研究牽引輔助變流器模型，將模型進(jìn)行適度的簡(jiǎn)化后導(dǎo)入仿真軟件中，在仿真軟件中建立牽引輔助變流器的幾何模型，如圖2所示。

圖2 仿真軟件中建立的變流器模型

3.1.2 初始條件

在仿真軟件中設(shè)定牽引輔助變流器各個(gè)部件的材料參數(shù)，輸入必要的初始條件：環(huán)境溫度為40℃，環(huán)境壓力為1 atm，冷卻液流量為500 L/min，冷卻液配比Antrifrogen N液∶水為56∶44，冷卻液初始溫度設(shè)定為57℃，功率模塊A1～A4單個(gè)模塊損耗取8.5 kW，功率模塊A5、A6單個(gè)模塊損耗取9 kW，功率模塊A7、A8單個(gè)模塊損耗取5.5 kW，功率模塊A9模塊損耗取7 kW，功率模塊總損耗為70 kW。

3.1.3 網(wǎng)格劃分及穩(wěn)態(tài)求解

對(duì)于幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)定仿真參數(shù)，進(jìn)行仿真計(jì)算，求解收斂后得到牽引輔助變流器關(guān)鍵部件的穩(wěn)態(tài)溫度值，見(jiàn)表1。

3.1.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證熱仿真結(jié)果準(zhǔn)確性，按試驗(yàn)大綱對(duì)所研究的牽引輔助變流器樣機(jī)進(jìn)行額定工況下的溫升試驗(yàn)。溫度測(cè)試方法為粘貼熱電偶測(cè)點(diǎn)，針對(duì)變流器內(nèi)關(guān)鍵部件共設(shè)置了9個(gè)測(cè)點(diǎn)，溫升試驗(yàn)共進(jìn)行7 h，所有試驗(yàn)點(diǎn)的溫度達(dá)到了變化率小于2 K/h的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。將試驗(yàn)中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果中相同位置的仿真溫度值進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表1。

表1 各測(cè)點(diǎn)位置溫度對(duì)比 單位：℃

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在額定工況下，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的仿真結(jié)果與溫升試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果誤差在5.4℃以內(nèi)，誤差均在±10%以內(nèi)，仿真結(jié)果與實(shí)際情況基本一致，從而證明文中建立的仿真模型具有準(zhǔn)確性和可行性。

3.2 不同工況下熱分析

變流器冷卻液采用Antrifrogen N液和水的混合液，由于冷卻液性質(zhì)的限制，當(dāng)環(huán)境溫度低至-50℃時(shí)，冷卻液的配比需要調(diào)整為AntrifrogenN液∶水為60∶40。在40℃和-50℃這2種高低溫極端環(huán)境溫度下，分別進(jìn)行變流器的熱仿真計(jì)算，分析變流器的溫升變化情況。此次仿真計(jì)算，一共進(jìn)行了2種不同極端工況下的仿真分析：（1）環(huán)境溫度為40℃，冷卻液配比Antrifrogen N液∶水為60∶40；（2）環(huán)境溫度為-50℃，冷卻液配比Antrifrogen N液∶水為60∶40。

環(huán)境壓力為1 atm，冷卻液流量為500 L/min，功率模塊總損耗為70 kW，對(duì)于以上2種工況，分別進(jìn)行仿真計(jì)算，求解收斂后得到牽引輔助變流器關(guān)鍵部件的穩(wěn)態(tài)溫度值，仿真得到的溫度分布云圖如圖3所示，流場(chǎng)三維分布如圖4所示。

圖3 仿真溫度云圖示意

圖4 仿真流場(chǎng)分布示意

2種極端工況下，牽引輔助變流器內(nèi)部各個(gè)功率模塊的仿真結(jié)果見(jiàn)表2，各測(cè)點(diǎn)的溫度如圖5所示，其中表2中的水冷基板溫度為基板表面同一測(cè)點(diǎn)的溫度值。

表2 極端工況下的仿真計(jì)算結(jié)果 單位：℃

圖5 極端工況下各測(cè)點(diǎn)的溫度

通過(guò)仿真分析得到了在2種極端工況下功率模塊水冷基板的穩(wěn)態(tài)溫度值，工況1（環(huán)境溫度為40℃，冷卻液配比Antrifrogen N液∶水為60∶40）水冷基板的溫度較高；工況2（環(huán)境溫度為-50℃，冷卻液配比Antrifrogen N液∶水為60∶40）水冷基板的溫度較低，這是因?yàn)樗浠迦肟谒疁仉S著環(huán)境溫度的下降而隨之下降，工況1入口水溫較高，而工況2入口水溫較低。

在同一環(huán)境溫度40℃下，分別進(jìn)行仿真計(jì)算，求解收斂后得到牽引輔助變流器關(guān)鍵部件的穩(wěn)態(tài)溫度值，將仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。圖中可以看出，在環(huán)境溫度為40℃時(shí)，當(dāng)冷卻液配比Antrifrogen N液∶水從56∶44提高到60∶40時(shí)，水冷基板的溫度隨之增大，即隨著冷卻液中Antrifrogen N液的比重增加，水冷基板的溫升隨之增大。

圖6 不同配比冷卻液下各測(cè)點(diǎn)的溫度對(duì)比

通過(guò)研究冷卻液的特性可以發(fā)現(xiàn)，隨著冷卻液中Antrifrogen N液的比例提升，冷卻液的散熱能力不斷降低。而所研究的牽引輔助變流器中功率模塊的冷卻方式主要是水冷形式，通過(guò)水冷基板對(duì)于IGBT封裝進(jìn)行冷卻。因此，隨著冷卻液中Antrifrogen N液的體積濃度增大，冷卻液的冷卻能力不斷下降，水冷基板的冷卻效果出現(xiàn)了下降。

從仿真計(jì)算結(jié)果看出，對(duì)于高耐候性牽引輔助變流器，由于其工作溫度范圍為-50～40℃，因此對(duì)應(yīng)的冷卻液配比為Antrifrogen N液∶水為60∶40，對(duì)應(yīng)的水冷基板冷卻能力相較于-40～40℃這一環(huán)境工況下的水冷基板（Antrifrogen N液∶水為56∶44）差，因此對(duì)于變流器冷卻系統(tǒng)的要求更高。

4 結(jié)語(yǔ)

采用熱仿真分析的方法對(duì)于高速動(dòng)車組牽引輔助變流器進(jìn)行了研究，在仿真軟件中建立變流器的仿真模型，通過(guò)樣機(jī)的溫升試驗(yàn)對(duì)于仿真模型的準(zhǔn)確性和可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。之后分別對(duì)于環(huán)境溫度為40℃和-50℃這2種極端工況下的變流器進(jìn)行了熱仿真分析，得到了2種極端工況下功率模塊水冷基板的溫升情況。經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算發(fā)現(xiàn)隨著冷卻液中Antrifrogen N液的體積濃度增大，冷卻液的冷卻能力不斷下降，水冷基板的冷卻效果出現(xiàn)了下降，與理論分析結(jié)果一致。在變流器的設(shè)計(jì)中，熱仿真分析可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初提前識(shí)別產(chǎn)品可能存在的熱風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于產(chǎn)品的可靠性提升、研發(fā)周期的縮短和研發(fā)成本的降低具有重要意義。