通用變頻器的散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)

張 敏，王勝勇，王傲能

（中冶南方（武漢）自動(dòng)化有限公司，湖北 武漢 430205）

引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，冶金、陶瓷等行業(yè)對(duì)通用變頻器的結(jié)構(gòu)尺寸要求越來(lái)越緊湊，系統(tǒng)的熱流體積密度越來(lái)越大，這給系統(tǒng)的散熱設(shè)計(jì)也帶來(lái)了一定的難度，變頻器的熱設(shè)計(jì)顯得越來(lái)越重要[1]。在變頻器的整機(jī)設(shè)計(jì)中，機(jī)箱的散熱通風(fēng)結(jié)構(gòu)和散熱器的選擇對(duì)系統(tǒng)的散熱是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。目前，在實(shí)際變頻器開(kāi)發(fā)的項(xiàng)目中，大多數(shù)主要是根據(jù)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和結(jié)構(gòu)尺寸選擇合適的散熱器，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果來(lái)調(diào)整散熱器的結(jié)構(gòu)[2]?？s短散熱器的設(shè)計(jì)周期和成本，對(duì)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)具有實(shí)際的意義。散熱器的種類(lèi)主要分為鋁型材散熱器和插片式散熱器，與插片式散熱器相對(duì)比，鋁型材散熱器肋片和基板之間沒(méi)有接觸熱阻，尺寸和種類(lèi)繁多能滿足不同產(chǎn)品應(yīng)用場(chǎng)合的要求，在變頻器中采用較多[3]。本文通過(guò)熱仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了通用變頻器中一種插片式散熱器比鋁型材散熱器散熱性能更好。

本文以通用變頻器為例，采用專(zhuān)業(yè)電子熱分析軟件Flotherm 對(duì)系統(tǒng)仿真進(jìn)行分析驗(yàn)證和散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)變頻器在額定電流工況穩(wěn)定運(yùn)行進(jìn)行熱仿真分析和實(shí)際測(cè)試對(duì)比，驗(yàn)證了熱仿真對(duì)變頻器散熱設(shè)計(jì)的適用性和正確性。對(duì)一種型材散熱器和插片式散熱器的熱仿真分析計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證，進(jìn)行了不同散熱器的散熱效果對(duì)比，說(shuō)明了散熱器的選擇對(duì)系統(tǒng)的散熱具有重要的意義。

1 Flotherm 軟件介紹

FloTHERM 軟件是采用成熟的CFD(computational Fluid Dynamic) 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)和數(shù)值傳熱學(xué)計(jì)算仿真計(jì)算開(kāi)發(fā)的[4]。它采用Patankar 與Spalding1972 年提出的在計(jì)算流體力學(xué)及計(jì)算傳熱學(xué)中得到了廣泛應(yīng)用的SIMPLE 算法來(lái)迭代求解一組由Navier-Stokes方程導(dǎo)出的耦合偏微分非線性方程。它是基于有限單元法，將原來(lái)在時(shí)間域和空間域上連續(xù)的物理量的場(chǎng)，用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)上的變量值的集合來(lái)代替，通過(guò)一定的方式來(lái)建立關(guān)于這些離散點(diǎn)上變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組，然后求解方程組獲得變量的近似值。FloTHERM 是基于系統(tǒng)的質(zhì)量、動(dòng)量和能量三大守恒方程來(lái)迭代計(jì)算的，滿足收斂標(biāo)準(zhǔn)條件則終止計(jì)算，仿真結(jié)束；否則，需要重新調(diào)整仿真模型或網(wǎng)格劃分來(lái)重新迭代計(jì)算，直至收斂仿真結(jié)束。

2 變頻器功率模塊的損耗計(jì)算

變頻器在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的損耗會(huì)極大地影響設(shè)備的工作狀況。在通用變頻器中，IGBT 和整流橋是主要的發(fā)熱元器件，解決好它們的散熱問(wèn)題，對(duì)變頻器的可靠性、壽命及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行都具有重要意義。本文研究的通用變頻器的功率模塊損耗主要包括IGBT 和整流橋損耗、電抗器損耗和電解電容損耗等，其中IGBT 和整流橋的損耗占系統(tǒng)總損耗的95%以上。

2.1 IGBT 損耗的計(jì)算

IGBT 的型號(hào)是英飛凌的FS150R12KT4，其損耗主要包括IGBT 和FWD（快速恢復(fù)二極管）兩個(gè)部分的損耗，且都包括導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗。導(dǎo)通損耗反映了IGBT 全導(dǎo)通狀態(tài)下的損耗。當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率較低時(shí)，通態(tài)損耗占總損耗的主要部分，隨著開(kāi)關(guān)頻率的升高，開(kāi)關(guān)損耗在總損耗中所占的比例迅速上升。當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，IGBT 需要降額使用，以免其溫度過(guò)高，導(dǎo)致器件損壞。其開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗用以下公式表示[5]：

式中，P1表示IGBT 導(dǎo)通損耗；P2表示IGBT 開(kāi)關(guān)損耗，P3表示二極管導(dǎo)通損耗；P4表示二極管開(kāi)關(guān)損耗。VT0表示IGBT 初始管壓降，VT1表示二極管初始管壓降，Ip 表示輸出峰值電流，Erec表示反并二極管反向恢復(fù)能量損失。通過(guò)查詢相關(guān)資料，確定所需的參數(shù)后，即可計(jì)算出所需的模塊的總損耗。

2.2 整流橋損耗的計(jì)算

對(duì)于三相整流橋模塊中二極管損耗計(jì)算主要通過(guò)平均電流計(jì)算。

式中，P0為輸出功率，V0為輸出電壓，I0為輸出電流，Iin為輸入電流，Irms為輸入有效值電流，P 為單個(gè)整流橋損耗。根據(jù)器件規(guī)格書(shū)給出的參數(shù)，即可計(jì)算出模塊的總損耗。

3 散熱器熱仿真優(yōu)化計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 型材散熱器的實(shí)驗(yàn)和仿真

以通用變頻器為例，主要的發(fā)熱器件電抗器、電容、散熱器和風(fēng)扇組成了強(qiáng)制風(fēng)冷的風(fēng)道。功率器件的熱量傳到散熱器基板上，再通過(guò)導(dǎo)熱的方式傳遞到散熱器的翅片上，由風(fēng)扇帶走熱量。采用2 個(gè)直流風(fēng)扇并聯(lián)安裝。該變頻器內(nèi)部包含功率器件模塊、電解電容、電抗器和電路板，可計(jì)算出額定工況下總損耗為612 W。

選用的型材散熱器的整機(jī)尺寸為252 mm×150 mm×105 mm，基板厚度為15 mm，肋片高度為85 mm，肋片厚度為1.6 mm，肋片數(shù)量32。型材散熱器由于其整體成型的特點(diǎn)和加工工藝限制，肋片之間的間距不能太小。

針對(duì)通用變頻器進(jìn)行溫升測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)使用適配的電機(jī)機(jī)組作為負(fù)載進(jìn)行額定工況滿載測(cè)試。實(shí)驗(yàn)使用的儀器主要有多路數(shù)據(jù)記錄儀用來(lái)采集溫升數(shù)據(jù)和示波器采集輸入和輸出電流。實(shí)驗(yàn)時(shí)使用T 型熱電偶線探頭貼在器件旁邊的散熱器基板表面，其分布點(diǎn)，見(jiàn)圖1。

圖1 散熱器基板表面熱電偶測(cè)試點(diǎn)

額定工況下整機(jī)運(yùn)行2 h 后散熱器表面溫度趨于穩(wěn)定散熱器表面溫升,見(jiàn)表1。從表中可以看出功率器件旁散熱器表面的最高溫升為42 ℃。

表1 型材散熱器測(cè)試數(shù)據(jù)

使用FloTHERM 軟件對(duì)變頻器整機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模和仿真計(jì)算，對(duì)于不影響變頻器風(fēng)道的電路板和接觸器等其他一些器件簡(jiǎn)化建模；對(duì)于主要的功率器件和散熱器根據(jù)實(shí)物進(jìn)行詳細(xì)的物理建模，其中IGBT功率器件采用與實(shí)物一致的詳細(xì)芯片分層建模方法，IGBT 物理建模分為銅基板和導(dǎo)熱。為了使仿真的模型能盡可能的滿足要求和提高求解速度，針對(duì)散熱器、IGBT 和整流橋等，需要提高計(jì)算精度而采取網(wǎng)格局部加密，其中散熱器翅片的網(wǎng)格為2 個(gè)，其內(nèi)部流道的網(wǎng)格至少有3 個(gè)，其他采用粗糙網(wǎng)格。

在求解之前需要進(jìn)行環(huán)境邊界條件設(shè)定，將整機(jī)外部環(huán)境溫度設(shè)定為40 ℃，流過(guò)的空氣氣流的流體也為40 ℃環(huán)境下的空氣。風(fēng)扇參數(shù)的設(shè)定需要將風(fēng)扇的PQ 曲線從規(guī)格書(shū)提取出來(lái)將其導(dǎo)入。本文所涉及的材料包括鍍鋅板、鋁合金6061，器件的詳細(xì)模型材料包含陶瓷、純銅、硅、導(dǎo)熱硅脂等，根據(jù)各材料的特性將其導(dǎo)熱系數(shù)、密度、表面特性等設(shè)置在軟件中。在進(jìn)行求解之前，設(shè)定好所關(guān)心的溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)并進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真，散熱器表面溫度分布，見(jiàn)圖2。由仿真結(jié)果器件下方散熱器的最大溫度為91 ℃，器件旁散熱器基板表面的最高溫升是42.2 ℃，接近實(shí)測(cè)結(jié)果。這說(shuō)明了使用FloTHERM 仿真計(jì)算變頻器的溫度分布對(duì)項(xiàng)目的散熱設(shè)計(jì)具有實(shí)際的意義。

圖2 散熱器仿真表面溫度分布

3.2 散熱器的優(yōu)化仿真計(jì)算

利用FloTHERM 軟件中的Commander Center 模塊進(jìn)行散熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，該模塊采用了一種多目標(biāo)的優(yōu)化算法。該優(yōu)化算法可以設(shè)置多個(gè)輸入變量和目標(biāo)輸出變量。在本次實(shí)驗(yàn)優(yōu)化計(jì)算中，輸入變量設(shè)置為肋片厚度和肋片數(shù)量，肋片厚度變化范圍為1～4 mm，肋片數(shù)量變化范圍為30～65 個(gè)，目標(biāo)函數(shù)為散熱器表面最大溫度最小。得到的最后優(yōu)化結(jié)果是肋片厚度為1.3 mm，肋片數(shù)量61。為了對(duì)比不同參數(shù)的散熱器的散熱性能，優(yōu)化計(jì)算后，最優(yōu)的一組散熱器表面最大溫度為79.1 ℃，與目前的型材散熱器溫度相比降低了11.9 ℃，較大地提高了散熱性能。由于加工工藝限制，型材散熱器的肋片間距一般都在5 mm 以上，肋片間距小于4 mm 的散熱器一般可采用插片式加工。

3.3 插片式散熱器的實(shí)驗(yàn)

將通用變頻器的型材散熱器換成插片式散熱器，其余所有均未變化。實(shí)驗(yàn)采用相同機(jī)組的電機(jī)進(jìn)行滿載實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的所有參數(shù)設(shè)置均與型材散熱器測(cè)試保持一致。滿載運(yùn)行2 h 后，實(shí)驗(yàn)測(cè)出散熱器表面最大溫升為35.6 ℃，與熱仿真散熱表面最大溫升39.1 ℃相比，誤差小于4 ℃，仿真后的散熱器表面溫度分布，見(jiàn)圖3。器件旁散熱器表面測(cè)試溫度，見(jiàn)表2。從表中的測(cè)試數(shù)據(jù)與之前的型材散熱器相比較，散熱器表面溫度降低了15.1 ℃。這就證明了在通用變頻器的插片式散熱器比型材散熱器散熱性能更好。從軟件中可以看出風(fēng)扇的工作點(diǎn)與風(fēng)扇的PQ 曲線相交在后1/3段范圍內(nèi)，說(shuō)明風(fēng)扇性能與變頻器系統(tǒng)匹配良好。

表2 散熱器優(yōu)化方案數(shù)據(jù)

圖3 優(yōu)化后散熱器表面溫度分布

由分別使用型材散熱器和插片式散熱器的通用變頻器的樣機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比可知，插片式散熱器雖然存在接觸熱阻，但由于可以增加肋片數(shù)量從而增加表面散熱面積，從而提高了散熱效率，同時(shí)也節(jié)省了成本，實(shí)現(xiàn)了更高效率的散熱。

4 結(jié)論

本文針對(duì)通用變頻器，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)合對(duì)散熱器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，證明了一種插片式散熱器的散熱性能優(yōu)于傳統(tǒng)的型材散熱器。首先對(duì)已有的樣機(jī)進(jìn)行額定工況運(yùn)行滿載熱測(cè)試，同時(shí)使用FloTHERM 做了熱仿真分析并與實(shí)測(cè)對(duì)比驗(yàn)證仿真的可行性；其次使用FloTHERM 里的Commander Center 模塊對(duì)散熱器進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算；最后針對(duì)優(yōu)化后的插片式散熱器做了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。優(yōu)化設(shè)計(jì)的插片式散熱器的散熱效率高于型材散熱器，且散熱效果較好，成本較低，適合用于通用變頻器的產(chǎn)品中。