隨著產(chǎn)品的集成化、復(fù)雜性提高，產(chǎn)品的發(fā)熱也隨之上升。本文為滿足儲能變流器的散熱要求，完成包含散熱器、功率器件、風(fēng)機及風(fēng)道的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計。調(diào)整風(fēng)機相對于功率模塊進(jìn)風(fēng)口的距離，進(jìn)行5組散熱仿真，通過仿真模擬出風(fēng)口風(fēng)速、散熱器溫升數(shù)據(jù)，綜合散熱器的溫升以及結(jié)構(gòu)布置的合理化，得出最優(yōu)散熱布置方案，驗證了基于熱分析軟件的熱設(shè)計優(yōu)勢，為產(chǎn)品的熱設(shè)計提供了可靠的依據(jù)。
隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，其功耗引起熱流密度升高，電子設(shè)備所處的工作環(huán)境的影響因素主要包括：溫度、沙塵、降水等，為保證電力電子設(shè)備在各類的環(huán)境下可以可靠、充分的發(fā)揮其性能，需要對環(huán)境做適應(yīng)性設(shè)計。功率器件則是主要產(chǎn)生發(fā)熱量的源頭，功率器件是多數(shù)電子設(shè)備中的關(guān)鍵器件，其工作狀態(tài)的好壞直接影響整機的可靠性。所以高功率器件的散熱是整個電子設(shè)備散熱的關(guān)鍵。強迫風(fēng)冷在需要散熱的電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用，同時也是高功率器件采取的主要冷卻形式。
本文針對整個功率模塊進(jìn)行散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計，模擬內(nèi)部溫度分布及風(fēng)速情況，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以節(jié)約設(shè)計時間，降低生產(chǎn)成本。
儲能變流器功率模塊中主要功率器件為IGBT，功率器件應(yīng)用時溫度升高，需依靠散熱器來進(jìn)行散熱，保證其安全正常工作。
散熱器的散熱性能與其和空氣的接觸面積有關(guān)，影響接觸面積的因素主要包括翅片高度、厚度、寬度等參數(shù)。本次設(shè)計通過使用風(fēng)機配合散熱器進(jìn)行功率模塊散熱，通過調(diào)整風(fēng)機與功率模塊散熱器之間的距離來滿足散熱需求。利用三維建模軟件進(jìn)行建模，通過仿真軟件進(jìn)行散熱模擬，通過分析對比不同工況下的仿真結(jié)果，從而選擇散熱效果最優(yōu)的結(jié)構(gòu)。
1結(jié)構(gòu)方案設(shè)計
1.1器件選型
儲能變流器作為儲能裝置和電網(wǎng)的柔性接口，實現(xiàn)與電池管理系統(tǒng)的實時通訊，采用高可靠性智能化功率模塊開發(fā)，通過充、放電一體化的設(shè)計，實現(xiàn)交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)的能量雙向流動。
儲能變流器功率模塊及散熱結(jié)構(gòu)主要包括功率器件、散熱器，風(fēng)機以及風(fēng)道結(jié)構(gòu)。本次設(shè)計選用擠壓型材散熱器如圖1所示，擠壓型散熱器由翅片和基板組成，翅片與基板位于一體。散熱器基板遠(yuǎn)離翅片側(cè)附有熱管，熱管位置根據(jù)壓裝功率器件位置確定。風(fēng)機底進(jìn)風(fēng)，側(cè)出風(fēng)，如圖2所示。
1.2散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計
本文只針對成套散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，調(diào)整風(fēng)機相對于功率模塊進(jìn)風(fēng)口的距離，通過仿真模擬出風(fēng)口風(fēng)速、散熱器溫升數(shù)據(jù)，綜合散熱器的溫升以及結(jié)構(gòu)布置的合理化，得出最優(yōu)散熱布置方案。成套散熱結(jié)構(gòu)采用底進(jìn)風(fēng)、上出風(fēng)的方式。風(fēng)機置于功率模塊底部，四周用鈑金圍成密閉風(fēng)腔，三個功率模塊散熱器底部與風(fēng)腔接觸面開有對應(yīng)方形進(jìn)風(fēng)口，每個功率模塊散熱器頂部開有方形出風(fēng)口。空氣經(jīng)風(fēng)機底部導(dǎo)風(fēng)圈吸入，經(jīng)風(fēng)機四周葉片甩出到風(fēng)腔內(nèi)，然后通過風(fēng)腔擠壓由頂部功率模塊進(jìn)風(fēng)口處流入功率模塊散熱器，最后通過頂部功率模塊出風(fēng)口排出，形成風(fēng)道回路，如圖3所示。
2熱設(shè)計
熱量主要通過熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射三種方式傳遞。
對流散熱分為自然對流與強迫對流兩種方式。自然對流散熱方式，功率模塊布局應(yīng)考慮風(fēng)路設(shè)計要求，對于直齒型散熱器，應(yīng)保證散熱器齒槽垂直于水平面。盡可能增加進(jìn)出口高度差，避免氣流短路。強迫對流散熱方式，元器件應(yīng)均勻布置，使風(fēng)均勻流過每一個發(fā)熱源；如果發(fā)熱不均，發(fā)熱量大的元器件稀疏排列，發(fā)熱量小的布局緊湊，或增加導(dǎo)流裝置，將風(fēng)有效導(dǎo)入至關(guān)鍵發(fā)熱元器件中；風(fēng)道界面尺寸盡可能與風(fēng)扇出口保持一致，采用直風(fēng)道，減小局部阻力，避免增加沿程阻力損失。
電子設(shè)備主要的失效形式是熱失效。所以，對電子設(shè)備進(jìn)行熱設(shè)計以及熱分析，早已引起了國內(nèi)外研究的重視。在產(chǎn)品的設(shè)計階段對其進(jìn)行熱仿真可以有效的模擬實際的工況，通過對于仿真模型的修改，快速的進(jìn)行工況切換對比。
本次設(shè)計采用強迫風(fēng)冷進(jìn)行儲能變流器功率模塊散熱，通過風(fēng)機使結(jié)構(gòu)內(nèi)部空氣進(jìn)行流動，冷流體與電子設(shè)備內(nèi)的器件進(jìn)行熱量交換，從而對整個功率模塊進(jìn)行冷卻。
3仿真分析
3.1仿真模型建立
本文根據(jù)散熱器、風(fēng)機、功率器件實際規(guī)格以及三維建模布局完成仿真模型建立，仿真結(jié)構(gòu)模型如圖4。其中，風(fēng)機位于整個散熱結(jié)構(gòu)的底部，由底部進(jìn)風(fēng)，通過風(fēng)腔與頂部散熱模塊的進(jìn)風(fēng)口流經(jīng)散熱器，從而對功率器件進(jìn)行散熱。
實際由于功率模塊及其散熱結(jié)構(gòu)在柜內(nèi)結(jié)構(gòu)布局的條件影響，本次仿真以風(fēng)機與功率器件進(jìn)風(fēng)口的距離為變量，模擬工況下功率模塊的出風(fēng)口風(fēng)速及散熱器的溫升情況。
3.2仿真參數(shù)與工況
由于功率模塊的散熱性能會受到與風(fēng)機之間的相對距離影響，本次仿真模擬五種不同距離工況下功率模塊的出風(fēng)口風(fēng)速及散熱器的溫升情況。仿真參數(shù)如表1所示，仿真變量如表2所示。
3.3仿真結(jié)果分析
五種不同的工況仿真結(jié)果數(shù)據(jù)如表3所示。風(fēng)機與功率器件進(jìn)風(fēng)口的距離200mm、300mm的仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。
風(fēng)機與功率模塊進(jìn)風(fēng)口間距200mm時，A\C相模組出風(fēng)口最大風(fēng)速達(dá)到11.96m/s，B相模組出風(fēng)口最大風(fēng)速達(dá)到8.58m/s，風(fēng)速最大值集中在出風(fēng)口邊界處；模組散熱器溫度為71.98℃，溫升為31.98℃。
風(fēng)機與模組進(jìn)風(fēng)口間距為300mm時，A\C相模組出風(fēng)口最大風(fēng)速達(dá)到12.30m/s，B相模組出風(fēng)口最大風(fēng)速達(dá)到9.38m/s，風(fēng)速最大值集中在出風(fēng)口邊界處；模組散熱器溫度為69.6℃，溫升為29.6℃。散熱器溫升最高處集中在B相（中間）頂部處。
由于風(fēng)機通過轉(zhuǎn)軸聯(lián)動扇葉進(jìn)行出風(fēng)，通過上圖5、圖6可以看出內(nèi)部流場示意，散熱器溫升最高處集中在B相（中間）頂部處。風(fēng)機在工作條件下，通過扇葉向四周出風(fēng)，通過風(fēng)機罩殼壁面改變風(fēng)向，因此經(jīng)過A/C相散熱器風(fēng)量較多，B相散熱器風(fēng)量較少。其次，距離功率器件進(jìn)風(fēng)口最遠(yuǎn)位置的功率器件散熱效果較差，因此B相散熱器頂部位置功率器件溫升最高。
通過模擬五種不同距離的工況，可以看出，風(fēng)機在與功率模塊進(jìn)風(fēng)口間距達(dá)到400mm時，A/C相出口最大流速達(dá)到12.57m/s，B相出口最大流速達(dá)到10.9m/s，散熱器最高溫度達(dá)到68.1℃，環(huán)境溫度為40℃，散熱器最大溫升達(dá)到28.1℃。A/C相與B相出口風(fēng)速差值為1.67m/s，溫升最高點集中在B相散熱器頂部功率器件布置處。
結(jié)論：通過對比五種工況仿真結(jié)果表明，在其他條件一定的情況下，風(fēng)機與功率模塊進(jìn)風(fēng)口的距離會直接影響到功率器件的散熱效果，由于風(fēng)機布置在進(jìn)風(fēng)口底部，通過扇葉向四周出風(fēng)，通過風(fēng)機罩殼壁面改變風(fēng)向?qū)е鹿β誓K的三相散熱存在不均勻的現(xiàn)象，隨著風(fēng)機與功率模塊進(jìn)風(fēng)口的距離不斷增加，功率模塊的散熱效果存在改善，在風(fēng)機與功率模塊進(jìn)風(fēng)口的距離間距達(dá)到400mm時，散熱效果達(dá)到最優(yōu)，綜合考量散熱結(jié)構(gòu)的尺寸以及散熱效果，最終采用功率模塊進(jìn)風(fēng)口與風(fēng)機間距400mm方案進(jìn)行設(shè)計。
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