風(fēng)冷功率閥塔的熱力性能仿真與測試分析

姜 波，邵 昌，惲強(qiáng)龍

（常州博瑞電力自動化設(shè)備有限公司，江蘇常州 213025）

0 引言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體功率器件被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)、電動汽車、軌道交通、光伏、儲能、風(fēng)電等行業(yè)。由半導(dǎo)體功率器件（如SCR、IGBT、IGCT、IEGT等）構(gòu)成的功率閥塔則是電能轉(zhuǎn)換和電路控制系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備[1-2]。

目前針對功率閥塔主流的冷卻技術(shù)方案主要分為風(fēng)冷方案和水冷方案等。水冷方案的冷卻介質(zhì)對水質(zhì)要求高，且管路接口數(shù)量多，一旦發(fā)生滲漏，將影響設(shè)備運(yùn)行。風(fēng)冷方案冷卻主體為風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)可嵌入集裝箱或閥廳建筑物內(nèi)，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，即使因風(fēng)道封裝不嚴(yán)密導(dǎo)致空氣泄漏，不會對功率器件的運(yùn)行造成較大影響。

本文研究的功率閥塔采用風(fēng)冷技術(shù)方案，由于功率閥塔內(nèi)串并聯(lián)的功率器件閥模塊數(shù)量眾多，風(fēng)冷系統(tǒng)存在空間結(jié)構(gòu)差異，各功率器件閥模塊流過的風(fēng)量必定不一致，一旦個別閥模塊風(fēng)量低于設(shè)計(jì)值，功率器件的散熱效果將受到嚴(yán)重影響，進(jìn)而影響半導(dǎo)體功率器件芯片的工作結(jié)溫，最終影響功率閥塔的正常運(yùn)行。

因此，研究功率閥塔風(fēng)冷系統(tǒng)各散熱器的風(fēng)量分配不均勻度和熱力性能不平衡性，不僅可避免局部器件過熱，降低器件失效率，提升其運(yùn)行熱可靠性，同時，能為閥塔的風(fēng)冷散熱器和風(fēng)機(jī)選型裕度設(shè)計(jì)系數(shù)提供合理的參考依據(jù)。

1 風(fēng)冷系統(tǒng)理論分析

某集裝箱式功率閥塔風(fēng)冷系統(tǒng)由百葉窗、離心風(fēng)機(jī)、風(fēng)冷散熱器、功率器件、風(fēng)道等組成，如圖1所示。其中，左、右側(cè)分別縱向陣列布置3個功率閥組，呈對稱分布，標(biāo)號分別為閥組①、閥組②、閥組③，每個功率閥組由8個風(fēng)冷散熱器與7個功率器件交替串壓層疊而成，散熱器由上至下標(biāo)號為H1~H8，散熱器H1陽極面標(biāo)號為H(P)1，陰極面標(biāo)號為H(N)1，以此類推，左、右側(cè)閥組中間布置匯合風(fēng)道。依靠設(shè)置在集裝箱頂部的離心風(fēng)機(jī)，在冷卻系統(tǒng)內(nèi)部形成強(qiáng)迫對流，通過風(fēng)冷散熱器對功率器件進(jìn)行持續(xù)散熱，保證功率器件在安全可靠的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。

圖1 風(fēng)冷系統(tǒng)

1.1 流阻分析

風(fēng)冷系統(tǒng)的壓力損失，即流阻，主要包括兩部分：（1）沿程壓力損失，由空氣流經(jīng)風(fēng)道壁面時與壁面之間的摩擦損失引起的，也稱為靜壓損失；（2）局部壓力損失，由進(jìn)、出風(fēng)百葉窗、風(fēng)冷散熱器以及流經(jīng)彎頭、截面突變等處引起的，也稱為動壓損失。

沿程壓力損失Δpl可由下式計(jì)算：

式中：Δpl為沿程壓力損失，Pa；f為沿程阻力系數(shù)；l為風(fēng)道長度，m；de為風(fēng)道當(dāng)量直徑，m；ρ為空氣密度，kg∕m3；v為空氣平均流速，m∕s。

對于光滑管道，其沿程阻力損失系數(shù)f只是雷諾數(shù)Re的函數(shù)，當(dāng)空氣處于層流流動時，f=64∕Re；當(dāng)空氣處于湍流流動，且Re≤105時，f=0.314Re0.25；當(dāng)空氣處于湍流流動，且105＜Re＜106時，f=0.184Re0.2。

局部壓力損失可由下式計(jì)算：

式中：Δpc為局部壓力損失，Pa；ξ為局部阻力系數(shù)；ρ為空氣密度，kg∕m3；v為空氣平均流速，m∕s。

風(fēng)冷系統(tǒng)流阻網(wǎng)絡(luò)分析如圖2所示。

表1 分支管局部阻力系數(shù)

圖2 風(fēng)冷系統(tǒng)流阻網(wǎng)絡(luò)

整個流動過程壓力損失∑Δp為：

離心風(fēng)機(jī)全壓PF為：

風(fēng)冷系統(tǒng)進(jìn)出口壓差為：

式中：Δpc-b為百葉窗流阻，Pa；Δpc-h為風(fēng)冷散熱器流阻，Pa；PF為風(fēng)機(jī)全壓，Pa；PsF為風(fēng)機(jī)靜壓，Pa；Pd為風(fēng)機(jī)動壓，Pa；Δpc為風(fēng)道流向變化處局部阻力，Pa；Δpl為風(fēng)道沿程阻力，Pa。

1.2 熱阻分析

功率閥組風(fēng)冷系統(tǒng)熱傳遞過程中的熱阻主要分為3個部分：功率器件芯片（J）與外殼（C）之間的結(jié)殼熱阻RJC、外殼（C）與散熱器（H）之間的接觸熱阻RCH、散熱器（H）與外界環(huán)境（A）之間的散熱器熱阻RHA，單位均為℃∕W。其中，結(jié)殼熱阻RJC和接觸熱阻RCH可通過查詢功率器件的性能手冊獲得。

功率閥組熱阻網(wǎng)絡(luò)分析如圖3所示。

圖3 功率閥組熱阻網(wǎng)絡(luò)

功率閥組總熱阻R為：

散熱器熱阻RHA定義為：在熱平衡狀態(tài)下，散熱器臺面溫度和冷卻介質(zhì)溫度之間的差值與產(chǎn)生這兩者間溫度差的耗散功率的比值：

式中：RHA為散熱器熱阻，℃∕W；Φ為功率器件的耗散功率，W；TH為散熱器臺面溫度，℃；TA為冷卻介質(zhì)溫度，℃。

對于雙面風(fēng)冷散熱器的陽極面分熱阻RHA（P）或陰極面分熱阻RHA（N），可由式（7）得到。此時，雙面風(fēng)冷散熱器的熱阻可由式（8）計(jì)算得出。

式中：RHA（P）為散熱器陽極面熱阻，℃∕W；RHA（N）為散熱器陰極面熱阻，℃∕W；

2 器件性能測試

2.1 測試方法

散熱器測試平臺如圖4所示，在進(jìn)風(fēng)口設(shè)置風(fēng)速儀和溫度計(jì)，用于測量進(jìn)風(fēng)風(fēng)速v及進(jìn)風(fēng)溫度TA；在進(jìn)、出風(fēng)口設(shè)置壓力傳感器，用于測量散熱器的風(fēng)阻Δpc-h；在散熱器表面布置熱電偶，用于測量散熱器表面溫度TH；對功率模塊施加直流電流模擬功率器件運(yùn)行過程產(chǎn)生的耗散功率，測試風(fēng)冷散熱器的熱阻RHA。

圖4 散熱器性能測試平臺

2.2 散熱器

散熱器處于風(fēng)冷系統(tǒng)的核心位置，其熱力性能直接關(guān)系到系統(tǒng)散熱能力的大小，為降低散熱器的熱阻，提升散熱器的均溫性能，優(yōu)化散熱條件，散熱器底部鑲嵌熱管。

對散熱器進(jìn)行雙側(cè)模擬熱源加熱，模擬單個恒定功率熱源為990 W的功率器件，根據(jù)某功率器件結(jié)溫TJ的設(shè)計(jì)要求，風(fēng)冷散熱器表面最高溫度TH與進(jìn)風(fēng)空氣溫度TA差值小于或等于50℃。

對散熱器進(jìn)行不同風(fēng)速v工況下進(jìn)行測試。結(jié)果如圖5所示。

圖5 散熱器性能曲線

對上述散熱器測試的性能曲線進(jìn)行函數(shù)方程擬合，其中，風(fēng)速-流阻擬合方程：y=2.921 3x2+3.866 1x+5.530 5，R2=1；風(fēng)速-熱阻擬合方程：y=0.000 4x2-0.008x+0.066 1，R2=0.998 5。

R2表示的是擬合優(yōu)度，代表函數(shù)方程對測試值的擬合程度，R2的值越接近1，說明擬合程度越好。

2.3 百葉窗

為減少集裝箱式功率閥塔內(nèi)部的電氣設(shè)備及相關(guān)器件受灰塵、潮氣等影響。百葉窗葉片采用S型結(jié)構(gòu)，內(nèi)部嵌入濾棉，空氣流動為非直線路徑，同時百葉窗后端加裝有濾塵網(wǎng)。如遇沙塵及降雨天氣，沙塵及雨水隨機(jī)碰撞葉片，將反彈往外流出，可有效抵御沙塵及雨水進(jìn)入集裝箱內(nèi)部，在滿足電氣設(shè)備的通風(fēng)散熱要求下，具備較強(qiáng)的防塵、防水等功能。由于百葉窗內(nèi)部的流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為便于對風(fēng)冷系統(tǒng)的整體性能分析，對于百葉窗的流阻特性進(jìn)行取樣測試，結(jié)果如圖6所示。

圖6 百葉窗風(fēng)阻測試曲線

對百葉窗測試的風(fēng)阻曲線進(jìn)行函數(shù)方程擬合，y=19.983x2+24.531x；R2=0.998 7。

2.4 風(fēng)機(jī)

根據(jù)風(fēng)冷系統(tǒng)的流阻及熱阻特性進(jìn)行理論計(jì)算及風(fēng)機(jī)匹配選型，某型號離心風(fēng)機(jī)風(fēng)壓PF-風(fēng)量Q性能曲線如圖7所示。

圖7 風(fēng)機(jī)P F-Q性能曲線

對風(fēng)機(jī)的性能曲線進(jìn)行函數(shù)方程擬合，y=-264.03x4+679.22x3-567.25x2-36.026x+526.32；R2=0.997 9。

3 系統(tǒng)性能分析

風(fēng)冷系統(tǒng)內(nèi)各散熱器的風(fēng)速分布標(biāo)準(zhǔn)差δv可用于表示散熱器的風(fēng)速不均勻度[3-4]，風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差越小，說明各散熱器的風(fēng)速差異越小，即風(fēng)速不均勻性越不明顯，風(fēng)速不均勻度公式定義如下：

式中：δv為冷卻系統(tǒng)各散熱器風(fēng)速分配不均勻度；vi為散熱器的進(jìn)風(fēng)風(fēng)速；n為散熱器個數(shù)；vˉ為各散熱器風(fēng)速平均值。

同理，采用溫差標(biāo)準(zhǔn)差δT衡量風(fēng)冷系統(tǒng)內(nèi)各散熱器熱力性能的不平衡性，即：

式中：δT為冷卻系統(tǒng)各散熱器熱力性能不平衡性；Ti為散熱器的表面最高溫度；n為散熱器個數(shù)；Tˉ為各散熱器表面最高溫度平均值。

3.1 仿真結(jié)果與討論

為提升風(fēng)冷系統(tǒng)整體仿真計(jì)算的精度，將散熱器的流阻Δpc-h和熱阻RHA測試曲線函數(shù)擬合方程、百葉窗的風(fēng)阻Δpc-b測試曲線函數(shù)擬合方程、風(fēng)機(jī)的PF-Q性能曲線函數(shù)擬合方程通過UDF（用戶自定義函數(shù)功能）加載入功率閥塔風(fēng)冷系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行計(jì)算[5-7]。

圖8所示為集裝箱功率閥塔風(fēng)冷系統(tǒng)的空氣流線圖，箱外空氣流經(jīng)百葉窗，通過風(fēng)冷散熱器冷卻功率器件，流出的熱空氣匯入中間風(fēng)道，由離心風(fēng)機(jī)排出箱外，形成散熱循環(huán)。整個集裝箱功率閥塔風(fēng)冷系統(tǒng)內(nèi)空氣流動順暢，流線分布合理，未出現(xiàn)渦流。

圖8 風(fēng)冷系統(tǒng)空氣流線圖

圖9所示為功率閥塔風(fēng)冷系統(tǒng)的溫度分布云圖，在環(huán)境溫度為20℃的工況下，整個系統(tǒng)內(nèi)風(fēng)冷散熱器表面最高溫度為62.13℃，滿足風(fēng)冷散熱器表面最高溫度與進(jìn)風(fēng)空氣溫度差小于或等于50℃的設(shè)計(jì)要求。

圖9 風(fēng)冷系統(tǒng)溫度云圖Fig.9 Temperature cloud diagramof coolingsystem

由于功率閥塔左、右側(cè)閥組對稱設(shè)計(jì)，故僅提取左側(cè)3個閥組各散熱器進(jìn)口風(fēng)速分布數(shù)據(jù)，由圖10可分析出，各閥組間風(fēng)速分布趨勢基本一致，同一閥組中，各風(fēng)冷散熱器間風(fēng)速分布范圍3.85~4.35 m∕s，風(fēng)冷系統(tǒng)各散熱器進(jìn)口風(fēng)速不均勻度在3.5%之內(nèi)，各散熱器進(jìn)口風(fēng)速整體相對分布均勻。

圖10 風(fēng)冷系統(tǒng)各散熱器進(jìn)口風(fēng)速仿真值分布

圖11所示為風(fēng)冷系統(tǒng)各散熱器表面最高溫度分布，各閥組間散熱器表面溫度從高到低可排序?yàn)椋洪y組③＞閥組②＞閥組①，同一閥組中，隨著風(fēng)冷散熱器層數(shù)的上升，即靠近風(fēng)機(jī)，散熱器的表面溫度逐漸降低，各散熱器表面最高溫度分布范圍60.1~61.7℃，風(fēng)冷系統(tǒng)各散熱器表面最高溫度不平衡度在0.76%之內(nèi)，說明各散熱器的表面最高溫度較為接近，熱力性能一致性好。

圖11 風(fēng)冷系統(tǒng)各散熱器表面最高溫度分布

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

為更好地對比分析風(fēng)冷系統(tǒng)各散熱器風(fēng)速的分配情況及仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，功率閥塔不帶電投入運(yùn)行，僅啟動離心風(fēng)機(jī)提供循環(huán)冷卻空氣，對上述冷卻系統(tǒng)中各散熱器進(jìn)風(fēng)風(fēng)速進(jìn)行多點(diǎn)測試[8]，取平均值，測試儀器采用熱式風(fēng)速儀，測試精度0.1 m∕s。測試結(jié)果如圖12所示，各閥組間風(fēng)速從高到低可排序?yàn)椋洪y組①＞閥組②＞閥組③，同一閥組中，隨著風(fēng)冷散熱器層數(shù)的下降，即遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)，風(fēng)冷散熱器所分配的風(fēng)速呈波動下降趨勢，與仿真計(jì)算結(jié)果趨勢保持一致，各風(fēng)冷散熱器間風(fēng)速分布范圍3.65~4.2 m∕s，風(fēng)冷系統(tǒng)各散熱器進(jìn)口風(fēng)速不均勻度在3.59%之內(nèi)，各散熱器進(jìn)口風(fēng)速整體分布均勻。

圖12 風(fēng)冷系統(tǒng)各散熱器進(jìn)口風(fēng)速測試值分布

為驗(yàn)證功率閥塔風(fēng)冷系統(tǒng)的熱力性能，對功率閥塔進(jìn)行帶電運(yùn)行試驗(yàn)，測試環(huán)境溫度18℃，相對濕度75%，3臺風(fēng)機(jī)均額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，功率閥塔進(jìn)行升壓、升流至額定工況進(jìn)行試驗(yàn)，采用紅外測溫儀進(jìn)行測溫，圖13所示為功率閥組的紅外測溫圖。

圖13 風(fēng)冷系統(tǒng)各閥組散熱器溫度分布

對閥組①進(jìn)行整體紅外測溫，風(fēng)冷散熱器最高溫度為57.2℃；對閥組③散熱器H7、H8處進(jìn)行局部測溫，最高溫度為62.8℃。綜合分析，試驗(yàn)結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果具有較好的一致性，可為類似風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

4 結(jié)束語

本文針對功率閥塔風(fēng)冷系統(tǒng)進(jìn)行流阻及熱阻的理論分析，對影響風(fēng)冷系統(tǒng)熱力性能的關(guān)鍵部件——風(fēng)冷散熱器、百葉窗進(jìn)行性能測試。為提升系統(tǒng)級的仿真精度，通過UDF（用戶自定義函數(shù)功能）加載風(fēng)冷散熱器、百葉窗、風(fēng)機(jī)性能測試曲線擬合函數(shù)方程，進(jìn)行功率閥塔風(fēng)冷系統(tǒng)仿真計(jì)算，并與測試值進(jìn)行對比分析，得到各風(fēng)冷散熱器間進(jìn)口風(fēng)速仿真值分布范圍3.85~4.35 m∕s，風(fēng)速不均勻度在3.5%之內(nèi)；對各散熱器進(jìn)風(fēng)風(fēng)速進(jìn)行測試驗(yàn)證，風(fēng)速測試值分布范圍3.65~4.2 m∕s，風(fēng)速不均勻度在3.59%之內(nèi)，風(fēng)速仿真值與測試值差值為0.09%，各散熱器進(jìn)口風(fēng)速相對分布均勻。對功率閥塔閥組進(jìn)行紅外測溫，閥組①風(fēng)冷散熱器最高溫度為57.2℃，閥組③散熱器H7、H8處局部溫度最高為62.8℃，與各散熱器表面最高溫度仿真值分布范圍60.1~61.7℃基本一致，說明功率閥塔各散熱器的熱力性能較為一致。風(fēng)速及溫度仿真值與測試值分布總體吻合度較好，驗(yàn)證了仿真計(jì)算方法的準(zhǔn)確度，可用于后續(xù)類似風(fēng)冷冷卻系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)借鑒。