一種水冷系統(tǒng)建模及IGCT結溫計算方法

田凱 ，王自滿 ，楚子林 ，俞智斌 ，袁媛 ，宋鵬

（1.天津電氣科學研究院有限公司，天津 300180；2.電氣傳動國家工程研究中心，天津 300180；3.浙江大學 電氣工程學院，浙江 杭州 310027）

隨著電力電子技術的蓬勃發(fā)展，大功率功率變流器得到了廣泛應用[1]。中壓變流器內的核心元件為IGCT晶體管和快恢復二極管組成的功率模塊，同時它們也是系統(tǒng)內的主要熱損耗源，當熱量累積發(fā)熱超過允許的最高結溫，將會嚴重影響功率模塊的使用性能和系統(tǒng)可靠性。研究表明，超過55%的電子設備失效是由溫度過高引起的[2]，功率半導體器件以21%的故障率成為變流器系統(tǒng)中最為脆弱的組成部分[3]。因此，對功率器件的結溫計算和保護控制研究至關重要。

此外，如何有效確定水冷散熱裝置熱阻也是IGCT結溫計算中的一個關鍵問題。常用的方法比如熱源測溫或仿真建模，文獻[4]和文獻[5]分別提出基于直接測試和icepak建模來測定水冷散熱器熱阻測定方法。這些方法都沒有考慮水冷散熱器多級串聯(lián)壓接條件下，由發(fā)熱功率實時變化的熱耦合效應帶來的影響。另外功率器件損耗的實時計算和熱網絡模型的匹配，也對能否準確計算功率器件結溫起到關鍵作用[6-7]。

本文為克服現(xiàn)有技術的缺陷，提出一種水冷系統(tǒng)建模及IGCT模塊結溫的計算方法，解決現(xiàn)有的IGCT模塊結溫計算中實時性不足、熱網絡模型不匹配及未考慮水冷系統(tǒng)中多級功率-發(fā)熱耦合對溫度分布影響而使得結溫的預測脫離實際應用，導致預測結果不準確的問題[8]。

1 水冷散熱器模型

1.1 水冷散熱器結構

IGCT水冷散熱器為雙面散熱設計，其內部正反兩面由不銹鋼+鑄鋁合金的圓平面構成，冷卻水先進入一面不銹鋼水管，從外部螺旋漸進至中心，再從中心處流至另一面不銹鋼水管中心，最后再螺旋漸進流出。散熱器內部正反兩面是一個串聯(lián)的流道。因此像這種內部水路串聯(lián)式散熱器正反兩面的散熱性能不同，冷卻水流入的一側散熱性能較好，冷卻水流出的一側散熱性能相對差一些。

水冷散熱器分解圖如圖1所示，在實際應用中IGCT對外部冷卻水的熱阻由以下4部分組成：①IGCT管芯至管殼熱阻；②IGCT管殼至水冷散熱器表面熱阻；③散熱器表面至不銹鋼水管熱阻；④不銹鋼水管至冷卻水熱阻。

圖1 水冷散熱器分解圖Fig.1 Decomposition diagram of water-cooled heatsink

第①部分熱阻是IGCT產品自身特性，第②部分熱阻與散熱器表面光滑度以及接觸壓力有關，后兩部分熱阻可以通過散熱器自身設計來優(yōu)化改進。

1.2 水冷散熱器參數(shù)提取

散熱器如按出水口、進水口約定正反兩面，可劃分A面、B面。A面對應出水口，其水溫較高，因此對應熱阻較高；B面對應進水口，其水溫較低，因此對應熱阻較低。由于散熱器A，B兩面散熱因素存在相互耦合，散熱器熱阻參數(shù)無法直接計算，因此本文提出對水冷散熱器采用“溫升-熱阻”耦合模型，如下式：

式中：TA，TB分別為散熱器A，B面溫升；PA，PB分別為熱源IGCT的發(fā)熱功率；RA，RB分別為散熱器A，B面的直接熱阻；RLA，RLB分別為散熱器A，B面的耦合熱阻。

若A面單獨散熱，則有：

若B面單獨散熱，則有：

若A，B兩面同時散熱，則溫升公式同式（1）。這樣就可以根據3組測定數(shù)據來整定出散熱器熱阻參數(shù)。

如圖2所示，對水冷散熱器A，B兩個表面各添加2 kW熱源，并對其兩個表面分別進行3組數(shù)據測定：1）散熱器兩面各2 kW熱源，進水溫度40℃，測出散熱器A面溫度83.5℃，B面溫度74.6℃。2）僅A面施加2 kW熱源，進水溫度40℃，測出散熱器A面溫度72.2℃，B面溫度44.1℃。3）僅B面施加2 kW熱源，進水溫度40℃，測出散熱器A面溫度51.3℃，B面溫度70.6℃。

圖2 水冷散熱器測定數(shù)據Fig.2 Measurement data of water-cooled heatsink

將測定數(shù)據代入熱阻模型可得：

解得RA=16.1 K/kW，RB=15.3 K/kW，進一步代入式（3），求解得RLA=5.65 K/kW，RLB=2 K/kW。

由此可以根據上述原理，采用本文提出的水冷散熱器模型+測定數(shù)據計算該散熱器A面和B面（包含熱耦合）的實際熱阻。

2 器件損耗功率計算

2.1 IGCT導通損耗功率

IGCT的導通損耗與導通壓降、電阻率、導通電流有關，如下式：

式中：PT為IGCT導通功率；V(T0)為IGCT導通壓降；IT為流過IGCT的電流；rT為IGCT導通電阻。

2.2 IGCT開關損耗功率

IGCT的開關損耗由導通損耗和關斷損耗組成，它與開關頻率、開關時刻電流、直流母線電壓有關，如下式：

式中：Pon，Poff分別為IGCT折算到一個計算周期內的導通功率和關斷功率；VD為直流母線電壓；Eon，Eoff分別為IGCT每次開通、關斷損耗的能量；Ts為計算周期。

2.3 二極管的導通損耗功率

二極管的導通損耗與導通壓降、電阻率、導通電流有關，如下式：

式中：PF為二極管導通功率；IF為流過二極管的導通電流；VF0為二極管導通壓降；rF為二極管導通電阻。

2.4 二極管的開關損耗功率

二極管的開關損耗主要指關斷過程中的反向恢復損耗。該值與關斷電流、直流母線電壓、關斷電流變化速率有關，如下式：

式中：PDoff為二極管關斷損耗；di/dtcrit為二極管關斷電流變化速率；IFC為二極管關斷電流；VDC-Link是直流母線電壓；Err為二極管關斷能量。

實際應用中，二極管關斷能量與關斷電流變化速率、關斷電流呈非線性關系，因此需要先根據主回路拓撲確定出關斷電流變化率。在此基礎上，再根據器件廠家給出的數(shù)據表設計關斷能量與關斷電流的相關非線性處理函數(shù)，更準確地實現(xiàn)二極管開關損耗計算。

3 系統(tǒng)熱路模型

3.1 模型參數(shù)轉換

IGCT手冊中給出的熱參數(shù)是根據一種數(shù)學上的等效Foster熱網絡模型，不像Cauer熱網絡模型具有實際的物理意義（參見圖3）。因此在使用IGCT的Foster模型參數(shù)在與水冷散熱器等效的Cauer熱模型級聯(lián)應用時，還需要將其進行轉換處理。

圖3 Foster和Cauer熱網絡模型Fig.3 Foster and Cauer thermal network model

由上述方法將IGCT的Foster模型轉換為Cauer模型，再與散熱器參數(shù)的Cauer模型級聯(lián)，最后再統(tǒng)一轉換為易于計算的多級Foster模型。

3.2 熱路系統(tǒng)

由圖4熱路模型得出：

圖4 系統(tǒng)熱路模型Fig.4 System thermal model

4 仿真分析

為驗證水冷散熱器特征值提取模型方法的有效性，如圖5所示，用4個IGCT熱源+5個水冷散熱器串聯(lián)壓接組成系統(tǒng)進行仿真對比。

圖5 系統(tǒng)熱仿真Fig.5 System thermal simulation

通過專業(yè)熱仿真軟件對系統(tǒng)組件進行了整體熱仿真，得到各個發(fā)熱源的溫度；再采用模型計算方法提取熱阻特征值，將其代入數(shù)值計算軟件計算出各個發(fā)熱源的溫度，最后將兩者數(shù)據結果進行對比，參見表1。

表1 數(shù)值計算與熱仿真結果對比Tab.1 Comparison between calculation and simulation results

從表1仿真結果對比可知：散熱器1～散熱器5的上、下面溫度數(shù)值計算與熱仿真誤差-0.22～1.21℃，說明散熱器表面溫度用上述模型計算精度較高，與整體熱仿真結果幾乎完全一致；熱源1～熱源4用數(shù)值計算方法比專業(yè)熱仿真軟件整體仿真高了1.77～2.35℃，這是因為計算模型里面疊加的是散熱器中心點溫度，略高于系統(tǒng)熱仿真中散熱器實際接觸面的平均溫度，也符合預期。

上述對比結果表明本文提出的水冷散熱器串聯(lián)壓接系統(tǒng)的建模方法正確且精度較高。

5 結論

本文提出的水冷散熱器雙面散熱耦合模型考慮了進出水溫差異及水路差異的影響，通過測定水冷散熱器正反兩面發(fā)熱功率及正反兩面溫升和單面散熱溫升，計算出正反兩面直接熱阻和正反兩面耦合熱阻。最后通過仿真對比結果說明該模型準確，且計算簡單有效。

給出IGCT瞬態(tài)功耗計算和熱網絡模型級聯(lián)轉換公式，將參數(shù)轉換后代入水冷系統(tǒng)n級串聯(lián)壓接散熱模型計算，可對功率器件溫升精確估計，且易于軟件編程實現(xiàn)。