高壓變頻器精細(xì)化熱仿真方法研究

于大鵬，黃啟釗，孫保濤，羅冬

（中車時代電氣株洲變流技術(shù)國家工程研究中心有限公司，株洲 412001）

引言

高壓變頻器核心部件IGBT與變壓器均存在一定溫度要求，在電子器件的安全工作溫度范圍內(nèi)盡量提高功率，或是在額定功率內(nèi)盡量減小散熱成本，是提高產(chǎn)品競爭力必須解決的問題。針對此問題最直接的解決方法是通過試驗進(jìn)行評估分析，但大功率電力電子設(shè)備的功率負(fù)載試驗門檻過高，需要耗費大量資源。隨著計算機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，基于三維建模的CFD熱仿真方法日趨成熟。目前主要有Fluent、CFD軟件、Comsol、FloTHERM、Abaqus等多種仿真軟件，低成本、易修正、直觀性等優(yōu)點使計算機(jī)熱仿真軟件在電力電子領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，使用熱仿真軟件進(jìn)行熱仿真分析，能夠有效降低高壓變頻器的設(shè)計成本與實驗成本。

針對于熱仿真方法在工業(yè)變流與變頻領(lǐng)域的應(yīng)用，大量學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究：康守軍[1]借助Icepak對上海新時達(dá)電氣研發(fā)的12 MW超大功率高壓變頻器的熱管單元溫升、系統(tǒng)風(fēng)量進(jìn)行了數(shù)值仿真計算，并與實驗結(jié)果進(jìn)行對比，驗證了仿真的可靠性；代書鵑[2]對Icepak中的部分湍流方程進(jìn)行了理論對比分析，同時利用Icepak對水冷高頻變壓器系統(tǒng)進(jìn)行了流場與溫度場三維數(shù)值模擬計算，驗證了湍流方程的準(zhǔn)確性；劉博陽等人[3]使用FloTHERM對地鐵輔助變流器進(jìn)行了熱仿真計算，將仿真結(jié)果與實驗結(jié)果進(jìn)行對比分析，證明了熱仿真方法對變流器發(fā)熱情況分析的準(zhǔn)確性；張英峰等人[4]對高壓變頻器風(fēng)機(jī)的風(fēng)量關(guān)于海拔的影響進(jìn)行了仿真研究，得到各海拔下的風(fēng)量；王嬌等人[5]通過熱仿真計算出高壓變頻器功率模塊內(nèi)部二極管及IGBT的溫升。以上研究在風(fēng)冷高壓變頻器的熱仿真研究中未進(jìn)行關(guān)于湍流方程[7]的橫向分析，本研究將彌補此空缺，對比9種湍流方程對于高壓變頻器、模塊、器件的熱仿真的適用性。

本研究將使用不同湍流方程對高壓變頻器及內(nèi)部模塊、風(fēng)冷散熱器進(jìn)行熱仿真計算，分析流場、溫度場計算結(jié)果，并通過搭建風(fēng)洞試驗臺驗證散熱流阻曲線，對高壓變頻器進(jìn)行功率負(fù)載試驗，對比溫升、風(fēng)量測量結(jié)果以驗證仿真計算方法的準(zhǔn)確性，列出了基于高壓變頻器相關(guān)熱仿真的推薦湍流方程。同時結(jié)合試驗結(jié)果對高壓變頻器結(jié)構(gòu)提出了散熱優(yōu)化建議。

1 仿真方法

1.1 湍流模型

高壓變頻器內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作時柜內(nèi)流場多為湍流流動，在進(jìn)行仿真計算時選擇合適的湍流方程至關(guān)重要。本文選用的CFD軟件中包含9種湍流方程，Zero方程是湍流平均運動方程和連續(xù)性方程組成的方程組，對于復(fù)雜流動很難準(zhǔn)確的給出混合長度；Two方程允許通過求解兩個獨立的輸運方程來確定湍流長度和時間尺度；RNG方程提供了一個考慮低雷諾數(shù)流動粘性的解析公式，這些公式的作用取決于正確的對待近壁區(qū)域；Salart-Allmaras方程是一種低雷諾數(shù)模型，常用湍動能K方程做湍流特征量；Realizable two方程為湍流粘性增加了一個公式，對于平板和圓柱射流的發(fā)散比率的更精確的預(yù)測；K-Omega SST方程基于SST模型改進(jìn)，考慮了湍流剪切應(yīng)力的傳輸；Enhanced two equation、Enhanced RNG和Enhanced realizable two equation這三種湍流模型是采用增強壁面處理，此處理方法不依賴于壁面法則，很適合應(yīng)用于復(fù)雜流動。

1.2 模型搭建

為得到精確的熱仿真結(jié)果，同時考慮在有限的計算資源條件下仿真可行性，本研究首先對散熱器進(jìn)行熱仿真，獲得散熱器流阻曲線，同時搭建風(fēng)洞實驗臺測得濾網(wǎng)、網(wǎng)板、散熱器的流阻曲線并校驗仿真結(jié)果。IGBT器件的結(jié)溫需重點關(guān)注，本研究按IGBT內(nèi)部芯片及焊層實際尺寸搭建實體模型。變壓器及模塊內(nèi)部主要器件及IGBT各層結(jié)構(gòu)材料屬性如表1所示。

表1 材料屬性

1.3 損耗計算

高壓變頻器柜內(nèi)損耗主要包括功率模塊、變壓器以及其他損耗。其中功率模塊的損耗主要產(chǎn)生于IGBT、整流二極管、支撐電容、母排等。本研究模塊中使用的IGBT與整流二極管均為英飛凌生產(chǎn)，IGBT與整流二極管的損耗通過廠商官網(wǎng)的在線仿真計算工具計算得到。通過廠商提供的產(chǎn)品手冊查得模塊中支撐電容等效電阻，計算得到損耗。

變壓器損耗分為鐵損和銅損，通過供應(yīng)商提供的技術(shù)手冊中查得額定工況下的鐵損和銅損。根據(jù)線圈和鐵芯建模的各部分Block模塊的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行損耗分配。柜內(nèi)其他損耗還包括電纜、母排等組件，共1380 W，柜內(nèi)損耗匯總?cè)绫?所示。

表2 高壓變頻器柜內(nèi)損耗匯總

1.4 網(wǎng)格劃分

功率模塊中的IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包含芯片、基板、陶瓷基板等部分，芯片在厚度方向最小尺寸只有0.2 mm，因此需對IGBT模型單獨建立Assembly進(jìn)行局部網(wǎng)格劃分。IGBT所在Assembly最大網(wǎng)格尺寸為1 mm，最小網(wǎng)格間隙設(shè)置為0.5 mm；模塊整體網(wǎng)格劃分的最大網(wǎng)格尺寸設(shè)置為5 mm，最小網(wǎng)格間隙設(shè)置為1 mm。允許系統(tǒng)捕捉并改變最小網(wǎng)格間隙。高壓變頻器內(nèi)部框架因電纜走線存在多處漏風(fēng)點，在簡化模型時需等效考慮漏風(fēng)點漏風(fēng)面積和位置，同時對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的變壓器的網(wǎng)格需要進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，同時對變壓器線圈、圍筒模型設(shè)置多級網(wǎng)格劃分。

2 試驗及仿真結(jié)果

本研究分別使用不同湍流方程對高壓變頻器及功率模塊進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱仿真計算，環(huán)境溫度設(shè)置為45 ℃，整柜仿真時打開輻射換熱計算，總迭代步數(shù)設(shè)置為1000步，并行求解。

2.1 流阻曲線

本研究中高壓變頻器的過濾網(wǎng)板為過濾棉與腰孔網(wǎng)板組合而成，過濾棉為40 ppi發(fā)泡型；模塊散熱器為直肋型材散熱器，肋片厚度2 mm。搭建風(fēng)洞試驗臺測量散熱器與過濾網(wǎng)板的流阻曲線，在仿真建模時將測量值寫入相應(yīng)模型。

2.2 高壓變頻器功率試驗結(jié)果

如圖1所示搭建功率試驗臺對高壓變頻器進(jìn)行功率負(fù)載溫升試驗，在模塊內(nèi)部布置溫度探頭，監(jiān)測點1、2為支撐電容表面；3、5為二極管內(nèi)側(cè)的散熱器表面整流；4、6為IGBT端子側(cè)的散熱器表面。變壓器通過粘貼溫度試紙檢測各部位溫度，同時在IGBT的基板對應(yīng)芯片的位置布置光纖溫度探頭，監(jiān)測芯片底部基板溫度。

圖1 高壓變頻器功率試驗臺及溫度探頭布置點位

高壓變頻器溫升試驗各監(jiān)測點位溫度如表3所示。

表3 高壓變頻器功率溫升試驗結(jié)果

高壓變頻器分為模塊腔和變壓器腔，兩腔各有12和4個過濾網(wǎng)板，將每個過濾網(wǎng)板劃分為2列5行共10個測點，使用風(fēng)速測量儀讀出每個測點的風(fēng)速取平均值，結(jié)果如表4所示。

表4 風(fēng)速測量結(jié)果

2.3 功率模塊熱仿真

使用不同湍流方程對功率模塊進(jìn)行熱仿真，各方程計算所得散熱器壓損、溫升結(jié)果與實驗測量對比圖2所示。

圖2 湍流方程仿真結(jié)果對比（功率模塊）

計算各湍流方程的各仿真計算值與試驗測量值的歐氏距離，對比分析各湍流方程仿真結(jié)果與試驗值的誤差，歐氏距離值越小代表兩種數(shù)據(jù)越相似。

各湍流方程計算結(jié)果的散熱器流阻曲線、監(jiān)測點溫升的歐幾里得距離如表5所示。

表5 仿真值與試驗值的歐氏距離（模塊熱仿真）

由上述仿真及實驗結(jié)果可得出結(jié)論：針對于高壓變頻器的模塊熱仿真，Zero、Two、Enhanced RNG方程溫升仿真存在較大誤差；對于散熱器壓損仿真，Enhanced two、Enhanced RNG、Enhanced realizable two、K-Omega均有良好的結(jié)果，與實驗測量結(jié)果誤差較小。

2.4 整柜熱仿真

初步熱仿真計算發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)工作點與試驗測量結(jié)果有較大偏差，經(jīng)對實際產(chǎn)品進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)模塊與風(fēng)道側(cè)板貼合不緊，在離心風(fēng)機(jī)運行時側(cè)板有較大變形，使漏風(fēng)面積增大。

修正高壓變頻器仿真模型后，設(shè)置仿真環(huán)境溫度45 ℃，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)溫度場-流場耦合熱仿真計算?；诟魍牧鞣匠痰母邏鹤冾l器整柜尺度的溫升與空氣流量的歐式距離如表6所示。

表6 仿真值與試驗值的歐氏距離（高壓變頻器）

Zero、Spalart-Allmarars方程對于整柜尺度的熱仿真有較大偏差，其他方程均能夠較為準(zhǔn)確地描述物理規(guī)律，其中Enhanced realizable two、K-Omega表現(xiàn)最好。同時值得注意的是增強型方程對于網(wǎng)格質(zhì)量較高，整柜尺度的熱仿真通常網(wǎng)格數(shù)量很多，需要占用更多的計算資源，若對計算精度沒有嚴(yán)格的要求，可優(yōu)先考慮計算速度較快的Two方程。

2.5 改進(jìn)結(jié)構(gòu)

按高壓變頻器實際結(jié)構(gòu)建模的計算結(jié)果相較于未考慮漏風(fēng)的模型風(fēng)量偏低10 %。風(fēng)道整改后的高壓變頻器的離心風(fēng)機(jī)風(fēng)量將提升0.15 m3/s，由于漏風(fēng)點處于模塊側(cè)，整改后模塊側(cè)濾網(wǎng)降低，變壓器測濾網(wǎng)風(fēng)量增大，相應(yīng)通過變壓器的風(fēng)量增大、通過模塊散熱器的風(fēng)量減小。根據(jù)實驗與仿真結(jié)果可知模塊器件還有較大余量，而變壓器溫升較高，應(yīng)考慮整改風(fēng)道以增大變壓器側(cè)風(fēng)量，本研究采取遮擋模塊進(jìn)風(fēng)口方案，采用Enhanced realizable two方程進(jìn)行熱仿真分析。改進(jìn)后變壓器側(cè)濾網(wǎng)風(fēng)量增大，功率模塊散熱器臺面溫升上升2 K左右，變壓器溫升得到有效改善。

3 結(jié)論

本研究基于CFD軟件對高壓變頻器搭建了精細(xì)的仿真模型，從整柜、模塊、IGBT芯片多個維度進(jìn)行了熱仿真計算，基本涵蓋了高壓變頻器內(nèi)主要電力電子器件。同時搭建了風(fēng)洞試驗臺測量了散熱器、過濾網(wǎng)板流阻曲線，搭建了功率試驗臺對高壓變頻器進(jìn)行功率溫升試驗。通過將試驗結(jié)果與9種湍流方程的仿真計算結(jié)果對比，針對于變流器的熱仿真計算Two方程以及它的優(yōu)化方程均能得出良好的計算結(jié)果，尤以Enhanced realizable two、K-Omega等方程更為準(zhǔn)確。結(jié)合試驗與仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)高壓變頻器的模塊側(cè)存在局部漏風(fēng)問題，結(jié)構(gòu)改進(jìn)后變壓器側(cè)濾網(wǎng)風(fēng)量提升，變壓器溫升降低。