基于Flotherm分析的光伏逆变器的散热设计

基于Flotherm分析的光伏逆变器的散热设计的图1基于Flotherm分析的光伏逆变器的散热设计的图2基于Flotherm分析的光伏逆变器的散热设计

杨雄鹏1,周晓东2,陈长安2,蔡萧3

(1西安交通大学,陕西西安 710049;2特变电工西安电气科技有限公司,陕西西安 710065)

 

基于Flotherm分析的光伏逆变器的散热设计的图3基于Flotherm分析的光伏逆变器的散热设计的图4摘要:在电力电子设备小型化的趋势下,有限空间的散热设计成为产品可靠性设计的关键瓶颈。本文以小功率光伏逆变器的散热设计为例,首先提出了Flotherm软件仿真的基本思想和基本理论,介绍了散热器优化设计和整机系统热仿真分析,包括多方案筛选优化。通过CFD数值仿真与工程样机实测数据对比,分析评估完全满足工程设计要求,达到了产品可靠性设计的目的。文章也介绍了海拔对散热的影响和修正。较好的验证了基于Flotherm软件分析的电力电子设备散热设计的优势和可靠度。

关键词:系统热分析;方案筛选;热阻;结温

中图分类号:

      Heat dissipation design of small power photovoltaic inverter based on

 analysis of Flotherm

YANG Xiong-peng1, ZHOU Xiao-dong2, CHEN Chang-an2 ,CAI Xiao3

(1 TBEA Xi’an Electric Technology Co. Ltd,Xi’an Shaanxi,710065 China)

AbstractUnder the trend that electric and electronics equipments is miniaturized, the heat  dissipation design in limited space becomes key bottleneck of the reliability design of products.Take example for the heat dissipation design of small power photovoltaic inverter, basic logics and theories used in Flotherm software are put forward in the beginning, then the optimization to the heat sink and the thermal simulation analysis in system level are introduced,as well as the scheme selection and optimization. By contrast with CFD numerical simulation solution and the test results in engineering protype,the optimized scheme completely meets the requirements of engineering and reliability design of products through the analysis and estimation.The effects and revises made by height to the heat dissipation are also introduced in this article.The advantage and reliability of the thermal design on electric and electronics equipments based on Flotherm are well tested and verified. 

KeywordThermal analysis in system level,scheme selection,thermal resistance,junction temperature


  

引   言

  


 

基金项目:国家“863”项目(2011AA05A305)

定稿日期:2012-10-29

作者简介:杨雄鹏(1983.12-),男,甘肃平凉人,硕士研究生,主要研究方向为电力电子设备热设计和热测试。

随着电力电子设备在电力行业中的广泛应用,产品的可靠性变得越来越重要。小功率光伏逆变器是小型电力电子设备的典型代表,逆变器的核心器件—IGBT模块(Insulated Gate Bipolar Transistor)在运行过程中产生大量的热,约有1~1.5%的有功功率转化为热能,这部分热量会使其内集成的功率器件管芯发热、结温升高。如果不能及时、有效的将此热量释放,就会降低系统可靠性,甚至损坏器件。在电力电子产品小型化的趋势下,IGBT模块在有限空间的散热设计成为小型光伏逆变器散热设计的核心,同时系统方案还要兼顾热敏感器件的温升,这就需要通过某种手段对散热方案进行全方位评估。本文通过Flotherm软件对小功率光伏逆变器进行系统级热分析[1]和多方案筛选,将仿真数据与工程样机的实测对比,验证基于Flotherm分析的电力电子设备散热设计的可行性与可靠度。

仿真原理与方案设计

Flotherm仿真软件是一款强大的应用于电子元器件以及系统热设计的三维CFD(Computational Fluid Dynamics)软件。CFD的基本思想是把原来在时间域和空间域上连续的物理量的场,用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替,通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组,然后求解代数方程组获得场变量的近似值。热设计问题本质在于定量描述热现象,文中所述小功率电力电子设备的散热设计问题属于强迫风冷设计范畴,可以通过湍流模型描述。

CFD仿真的基本理论如下:小型电子电子设备的散热设计属于不可压缩、常物性、无内热源的三维对流传热问题,结合传热学和流体动力学基本理论,得出描述该问题的微分方程组[2]为:

质量守恒方程基于Flotherm分析的光伏逆变器的散热设计的图5

动量守恒方程基于Flotherm分析的光伏逆变器的散热设计的图6基于Flotherm分析的光伏逆变器的散热设计的图7基于Flotherm分析的光伏逆变器的散热设计的图8

能量守恒方程基于Flotherm分析的光伏逆变器的散热设计的图9

其中,u、v、w是速度矢量V在直角坐标系x、y、z方向上的三个分量;基于Flotherm分析的光伏逆变器的散热设计的图10为流体的粘性系数;p 为流体微团所在处的静压力;Fx、Fy、Fz是体积力在x、y、z方向上的分量;ג为流体的导热系数;cp为流体的定压比热容。动量守恒方程式就是Navier-Stokes方程,质量守恒方程式又称连续性方程,它们是描写粘性流体过程的控制方程,对于不可压缩粘性流体的层流及湍流流动都适用。

Flotherm软件中的Command Center模块采用了当前世界上优秀的多目标优化算法,是一种在具有多个变量参数中确定最佳方案的途径。为了避免优化设计中出现局部最优代替全局最优,软件引入了代价函数(Cost Function):

Cost Function=W1R1+W2R2+KWNRN    (6)

式中,W为代价权重(Cost Weighting),R为目标输出变量。输入变量通常为一定范围内的离散或连续值,由这些数据可以形成数量可观的输入变量组合,每一个输入变量组合就对应一个实验。本文涉及的IGBT散热器优化方案就是通过Command Center模块实现的。

以上介绍了Flotherm的仿真原理,对于一个实际换热问题, 借助flotherm实现仿真的前提需获取物理模型参数,例如模型外形尺寸,关键器件尺寸,热耗分布,接触热阻,材料属性等等。

2.1   物理模型

下面对小功率光伏逆变器的物理模型参数作如下说明:

(1)边界条件:环境温度为60℃,标准大气压。气流状态为紊流,系统求解域定义为箱体体积的36倍。系统求解的迭代次数设为500次。

(2)主要尺寸参数:机箱的几何尺寸为750×540×380mm,IGBT模块热源尺寸31.5×68.4×10mm,电抗器的尺寸为71×71×25mm。

(3)材料参数:本系统共涉及五种材料Steel(Mild),Copper(Pure),Aluminum-6061,Silicon Carbide(Typical),Typical ChipArray。其结构模型如图1所示:

基于Flotherm分析的光伏逆变器的散热设计的图11

图1 小功率光伏逆变器结构模型

小功率光伏逆变器主要由直流输入模块、升压模块、逆变模块和交流输出模块组成。主要热耗点分布于图1所示的升压和逆变PCB下端的A、B、C、D、E五个IGBT模块以及位于机箱背部编号为1~7的七个电感。箱体中各单板或模块上所有功耗器件的型号、热耗、最大壳温等参数见表1。

表1  关键功耗器件热参数

关键功耗器件

热耗(W)

允许Tcmax(℃)壳温

M._A~M._C

108W

135℃

M._D~M._E

138W

155℃

Lin

2W

110℃

Lout

12W

150℃

L1~L7

30W

150℃

2.2  设计方案及仿真结果

根据箱体预留散热器空间大小,确定散热器的空间最大尺寸为450×200×90mm。散热器功率Φ为600W,基板厚度与散热功率之间的工程经验关系式

t = 7 x logΦ-6                  (7)

式中,t为基板厚度,mm,最小值为2。把Φ=600W带入公式(7)计算得t=13.447mm,取t=14mm。根据风速初步估计,选取肋间距为6mm。依据散热器空间高度尺寸及基板厚度,选取肋高为50mm。基板宽度200mm,肋片厚度取4mm,可估算肋片数为20。散热器材质为Aluminum-6061,导热系数为180W/(m·K)。

在Command Center 中输入优化的相关参数如下,肋高40~65mm,肋厚1~4mm,基板厚度14~20mm,肋片间距5~7mm。目标函数定义为编号为A~E的IGBT模块的壳温。同时监视的散热器的基板温度及其进出口空气温度。

关键器件IGBT散热器的设计优化参数如下:散热器的包络体积为450×200×76.5mm,基板厚度为16.5mm,肋片数为30,肋高60mm,肋片厚度为1.2mm,肋片平均间距为6.345mm。

IGBT模块功率密度较高,散热空间有限,在散热器两端加装风机以强冷方式散热。其次封装在箱体背部下方的七个电感总热耗为210W,利用风机鼓风在电感附近造成的湍流气流强化散热。

基于上述热耗分析,确定强制风冷总热耗为:Wtot=275+325=600W,估计进出风口温升△t约为14℃,由工程经验公式 

q=(1.76*Wtot)/∆t               (8)

算出系统所需有效风量q= 75CFM,根据箱体空间结构选择大小8038的轴流风机对此系统进行冷却,假定此风机工作在效率最大点:静压85Pa,风量45CFM。评估此系统至少需要两台风机并联[3]

通过系统级仿真分析、筛选,选定下图2模型方案,此方案五个功率模块共用一块散热器,上下机壳开孔及进出风口开孔率均为60%,开孔位置见下图2所示。

基于Flotherm分析的光伏逆变器的散热设计的图12

图2 机箱布局热模型

基于Flotherm的仿真,对照图1中功率元器件的编号,五个IGBT模块壳温由A到E依次为82.5℃,84.8℃,86.6℃,92.7℃,93.8℃,七个电抗器编号1至7的表壳温分别为65.7℃, 65.4℃,65.2℃,65.4℃, 64.8℃, 64.7℃,65.2℃。

图4反映的是CFD求解过程中监控点温度随迭代步数的收敛变化趋势。同时,从图3中粒子流可以看出,七个电抗器处于右侧两个风机鼓风造成的湍流区域中,其冷却效果得到强化。

基于Flotherm分析的光伏逆变器的散热设计的图13

图3  仿真粒子流及速度场

基于Flotherm分析的光伏逆变器的散热设计的图14

图4  监控点温度vs迭代步数

IGBT模块中集成的IGBT芯片 、二极管芯片和场效应管的结温Tj可由下式计算[4]:

     基于Flotherm分析的光伏逆变器的散热设计的图15

其中PTDP为IGBT单芯片的最大热耗。Rjc为芯片结点至外壳的热阻,该值可向厂商提供的器件资料中查询 [4]

因所评估的IGBT模块集成了多个IGBT芯片、二极管芯片、场效应管芯片,其集成技术、内部布局属于模块厂家机密文件,因此很难准确得到模块内每个芯片的准确热耗、结温、壳温以及空间坐标。由于模块的集成度较高,且热源(主要是IGBT,Diode,buck)分布较均匀,工程仿真热模型采用均匀体积热源等效实际的热源,可近似得到功耗器件IGBT模块的壳温。

表2  关键功耗器件温度仿真结果

关键器件

壳温(℃)

降额设计壳温(℃)

M.~A_M.~C

86.6

108

M.~D_M.~E

93.8

124

Lin

79.9

88

Lout

80.8

120

L1~L7

65.7

120

注:上表2只统计同规格模块中仿真温度最大的值,且降额设计壳温参考国军标Ⅱ级降额标准,系数0.8。

表2仿真预测的功耗器件的壳温,数据表明,IGBT模块ModelA~ModelE的壳温都未超过设定的降额壳温,且有适当余量。电感Lin、Lout、L1~L7壳温均远低于降额设计温度,有热设计冗余,均可长期安全可靠工作。

3   实验与仿真对比

在西安地区,实验温度为60℃的高温箱内,对样机进行满载热测试,数据见下表4。

表3 实测功耗器件的壳温数据

关键器件

壳温(℃)

加入海拔修正壳温

仿真与实验壳温差值

M._A~M._C

82.1

81.7

4.9

M._D~M._E

89.6

89

4.8

Lin

76.1

75.8

4.1

Lout

78.3

77.9

2.9

L1~L7

65.2

65.1

0.6

注:通过表3与表2的对比,实测壳温均低于仿真值。考虑海拔对空气换热系数的影响,由公式

基于Flotherm分析的光伏逆变器的散热设计的图16

 

西安地区十月份大气压力为97470Pa,海平面标准大气压力为101325Pa,计算得hc(高空)=0.98hc(海平面),根据牛顿冷却公式

基于Flotherm分析的光伏逆变器的散热设计的图17

假设换热量Q不变,可以推测温升增加到原来的1.02倍。以表3关键器件M._A~M._C为例,加入海拔因素的修正壳温

T(修正)=60+(82.1-60)/1.02=81.7℃。

对比表2和表3,加入海拔修正后,仿真壳温与实测修正后的壳温最高仅差4.9℃,从而有力的验证了基于Flotherm软件分析的电力电子设备散热设计的优势和可靠度[2]

4   结论

对于电力电子设备的散热设计问题,采用基于Flotherm分析的散热设计方法能够较准确评估到实际工况中的温度、速度、压力场分布及风机工作点,从而帮助设计人员快速确定最佳设计方案 [6]。此外,运用Flotherm热分析手段进行多方案筛选并确定最优方案能够有效指导产品热设计前期规避热风险,提高产品可靠性和市场竞争力同时,缩短研发周期,降低开发成本,有效解决实验研究中开发周期长,成本高的问题。

参考文献

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电力电子热设计

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