摘要：以小功率光伏逆變器的散熱設(shè)計(jì)為例，首先提出了Flotherm軟件仿真的基本思想和基本理論，介紹了散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)和整機(jī)系統(tǒng)熱仿真分析，包括多方案篩選優(yōu)化。通過計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)數(shù)值仿真，與工程樣機(jī)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析評(píng)估完全滿足工程設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)的目的。同時(shí)介紹了海拔對(duì)散熱的影響和修正，較好地驗(yàn)證了基于Flotherm軟件分析的電力電子設(shè)備散熱設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)和可靠度。
關(guān)鍵詞：逆變器；熱分析；熱阻；結(jié)溫

1 引言
    小功率光伏逆變器是小型電力電子設(shè)備的典型代表，IGBT模塊作為逆變器的核心器件，在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱，約有1％～1．5％的有功功率轉(zhuǎn)化為熱能，這部分熱量會(huì)使其內(nèi)部集成的功率器件管芯發(fā)熱、結(jié)溫升高。若不能及時(shí)、有效地將此熱量釋放，就會(huì)降低系統(tǒng)可靠性，甚至損壞器件。在電力電子產(chǎn)品小型化趨勢(shì)下，IGBT模塊在有限空間的散熱設(shè)計(jì)成為小型光伏逆變器散熱設(shè)計(jì)的核心，同時(shí)系統(tǒng)方案還要兼顧熱敏感器件的溫升，這就需對(duì)散熱方案進(jìn)行全方位評(píng)估。
    這里通過Flotherm軟件對(duì)小功率光伏逆變器進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)熱分析和多方案篩選，對(duì)比仿真數(shù)據(jù)與工程樣機(jī)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了基于Flotherm分析的電力電子設(shè)備散熱設(shè)計(jì)的可行性與可靠度。

2 仿真原理與方案設(shè)計(jì)
    Flotherm是一款強(qiáng)大的三維CFD軟件，CFD的仿真軟件基本思想是將原來在時(shí)間域和空間域上連續(xù)的物理量的場(chǎng)，用有限個(gè)離散點(diǎn)上的變量值集合來代替，通過一定原則建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上場(chǎng)變量間關(guān)系的代數(shù)方程組，進(jìn)行求解后獲得場(chǎng)變量的近似值。熱設(shè)計(jì)問題本質(zhì)在于定量描述熱現(xiàn)象，小功率電力電子設(shè)備的散熱設(shè)計(jì)可通過湍流模型描述。CFD仿真基本理論為：小型電子電子設(shè)備的散熱設(shè)計(jì)屬于不可壓縮、常物性、無內(nèi)熱源的三維對(duì)流傳熱問題，結(jié)合傳熱學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)基本理論，得出描述該問題的微分方程組。
    質(zhì)量守恒方程為：
   
    式中：u，v，w是速度矢量V在直角坐標(biāo)系x，y，z方向上的分量；μ為流體的粘性系數(shù)；p為流體微團(tuán)所在處的靜壓力；Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z是體積力在x，y，z方向上的分量；
    能量守恒方程為：
   
    式中：λ為流體的導(dǎo)熱系數(shù)；cp為流體的定壓比熱容。
    動(dòng)量守恒、質(zhì)量守恒方程是描寫粘性流體過程的控制方程，適用于不可壓縮粘性流體的層流及湍流流動(dòng)。
    Flotherm軟件中的Command Center模塊采用了多目標(biāo)優(yōu)化算法，是一種在多個(gè)變量參數(shù)中確定最佳方案的途徑。為避免優(yōu)化設(shè)計(jì)中出現(xiàn)局部最優(yōu)代替全局最優(yōu)，軟件引入了代價(jià)函數(shù)：
    f=W1R1+W2R2+KWNRN      (4)
    式中：W為代價(jià)權(quán)重；R為目標(biāo)輸出變量。
    輸入變量通常為一定范圍內(nèi)的離散或連續(xù)值，由這些數(shù)據(jù)可形成數(shù)量可觀的輸入變量組合，每一個(gè)輸入變量組合對(duì)應(yīng)一個(gè)實(shí)驗(yàn)。IGBT散熱器優(yōu)化方案就是通過Command Center模塊實(shí)現(xiàn)的。
    以上介紹了Flotherm的仿真原理，對(duì)于一個(gè)實(shí)際換熱問題，借助Flotherm實(shí)現(xiàn)仿真的前提是獲取物理模型參數(shù)，例如模型外形尺寸、關(guān)鍵器件尺寸、熱耗分布、接觸熱阻、材料屬性等。
    對(duì)小功率光伏逆變器的物理模型參數(shù)做如下說明：①邊界條件：環(huán)境溫度60℃，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，氣流狀態(tài)為紊流，系統(tǒng)求解域定義為箱體體積的36倍。系統(tǒng)求解的迭代次數(shù)設(shè)為500次；②主要尺寸參數(shù)：機(jī)箱幾何尺寸750x540x380 mm，IGBT模塊熱源尺寸31．5x68．4×10 am，電抗器尺寸71x71x25 mm；③材料參數(shù)：本系統(tǒng)共涉及5種材料Steel(Mild)，Copper(Pure)，Aluminum-6061，Silicon Carbide(Typical)，Ty pical Chip Array；其結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。主要由直流輸入模塊、升壓模塊、逆變模塊和交流輸出模塊組成。主要熱耗點(diǎn)為分布于圖1所示的升壓和逆變PCB下端的A，B，C，D，E 5個(gè)IGBT模塊及位于機(jī)箱背部編號(hào)為1～7的7個(gè)電感。箱體中各單板或模塊上所有功耗器件的型號(hào)、熱耗、最大殼溫等參數(shù)如表1所示。

    根據(jù)箱體預(yù)留散熱器空間大小，確定散熱器空間最大尺寸為450x200x90 mm。散熱器功率P=600 W，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，基板厚度a=7lg-6，a最小值為2mm。P=600 W時(shí)，a=13．447mm，取a=14mm。根據(jù)風(fēng)速初步估計(jì)，選取肋間距為6 mm。依據(jù)散熱器空間高度尺寸及a，選取肋高為50 mm?；鍖挾?00 mm，肋片厚度取4 mm，可估算肋片數(shù)為20。散熱器材質(zhì)為Aluminum-6061，導(dǎo)熱系數(shù)為180 W／(m·K)。
    在Command Center中輸入優(yōu)化的相關(guān)參數(shù)：肋高40～65 mm，肋片厚度1～4 mm，a為14～20 mm，肋間距5～7 mm。目標(biāo)函數(shù)定義為編號(hào)A～E的IGBT模塊的殼溫。同時(shí)監(jiān)視散熱器的基板溫度及其進(jìn)出口空氣溫度。關(guān)鍵器件IGBT散熱器設(shè)計(jì)優(yōu)化參數(shù)如下：散熱器包絡(luò)體積為450x 200x76．5 mm，a=16．5 mm，肋片數(shù)為30，肋高60 mm，肋片厚度1．2 am，平均肋間距6．345 mm。
    ICBT模塊功率密度較高，散熱空間有限，在散熱器兩端加裝風(fēng)機(jī)以強(qiáng)冷方式散熱。其次封裝在箱體背部下方的7個(gè)電感總熱耗為210 W，利用風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)在電感附近造成湍流氣流強(qiáng)化散熱。
    基于上述熱耗分析，確定強(qiáng)制風(fēng)冷總熱耗Wtot=600 W，估計(jì)進(jìn)出風(fēng)口溫升△T≈14℃，由工程經(jīng)驗(yàn)可得系統(tǒng)所需有效風(fēng)量為：
    q=1．76Wtot／△T      (5)
    算出q=75 CFM，根據(jù)箱體空間結(jié)構(gòu)選擇大小8 038的軸流風(fēng)機(jī)對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行冷卻，假定此風(fēng)機(jī)工作在效率最大點(diǎn)：靜壓85 Pa，風(fēng)量45 CFM。評(píng)估此系統(tǒng)至少需兩臺(tái)風(fēng)機(jī)并聯(lián)。通過系統(tǒng)仿真分析、篩選，此方案中5個(gè)功率模塊共用一塊散熱器，上下機(jī)殼開孔率及進(jìn)出風(fēng)口開孔率均為60％。
    基于Flotherm軟件仿真，對(duì)照?qǐng)D1中功率元器件編號(hào)，5個(gè)ICBT模塊殼溫由A～E依次為82．5 ℃，84．8 ℃，86．6 ℃，92．7℃，93．8 ℃；7個(gè)電抗器編號(hào)1～7，殼溫分別為65．7 ℃，65．4 ℃，65．2℃，65．4℃，64．8℃，64．7 ℃，65．2 ℃。
    圖2為CFD求解過程中監(jiān)控點(diǎn)溫度隨迭代步數(shù)的收斂變化趨勢(shì)。7個(gè)電抗器處于右側(cè)兩個(gè)風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)造成的湍流區(qū)域中，其冷卻效果得到強(qiáng)化。

    IGBT模塊中集成的IGBT芯片、二極管芯片和場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)溫為：
    Tj=Tc+PTDPRjc     (6)
    式中：PTDP為IGBT單芯片的最大熱耗；Rjc為芯片結(jié)點(diǎn)至外殼的熱阻，該值可在廠商提供的器件資料中查詢到。
    由于評(píng)估的IGBT模塊集成技術(shù)、內(nèi)部布局為廠家機(jī)密文件，因此很難準(zhǔn)確得到模塊內(nèi)每個(gè)芯片的準(zhǔn)確熱耗、結(jié)溫、殼溫及空間坐標(biāo)。由于模塊集成度較高，且熱源(主要是IGBT，二極管，Buck)分布較均勻，工程仿真熱模型采用均勻體積熱源等效實(shí)際熱源，可近似得到功耗器件IGBT模塊的殼溫如表2(只統(tǒng)計(jì)同規(guī)格模塊中仿真溫度最大的值，且降額設(shè)計(jì)殼溫參考國(guó)軍標(biāo)Ⅱ級(jí)降額標(biāo)準(zhǔn)，系數(shù)0．8)?？梢姡琁GBT模塊A～E的殼溫均未超過設(shè)定的降額殼溫，且有適當(dāng)余量。電感Lin，Lout，L1～L7殼溫均遠(yuǎn)低于降額設(shè)計(jì)溫度，散熱設(shè)計(jì)冗余，均可長(zhǎng)期安全可靠工作。

3 實(shí)驗(yàn)
    在某地區(qū)實(shí)驗(yàn)溫度為60℃的高溫箱內(nèi)，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行滿載熱測(cè)試，數(shù)據(jù)如表3所示。

    通過對(duì)比表2，3可見，實(shí)測(cè)殼溫均低于仿真值。考慮海拔對(duì)空氣換熱系數(shù)hc的影響，有：
    hch／hcl=(ph／pl)0.5      (7)
    式中：hch，hcl分別為高空和海平面的空氣換熱系數(shù)；ph，pl分別為高空和海平面的大氣壓力。
    該地區(qū)十月份ph=97 470 Pa，Pl=101 325 Pa，計(jì)算得hch=0．98hcl。牛頓冷卻公式為Q=hcA△T，假設(shè)換熱量Q不變，可推測(cè)溫升增加到原來的1．02倍。以表3中A～C為例，加入海拔因素的修正殼溫Tx=60+(82．1-60)／1．02=81．7℃。對(duì)比表2，3，加入海拔修正后，仿真殼溫與實(shí)測(cè)修正后的殼溫最高僅差4．9℃，驗(yàn)證了基于Flotherm軟件分析的電力電子設(shè)備散熱設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)和可靠度。

4 結(jié)論
    對(duì)于電力電子設(shè)備的散熱設(shè)計(jì)問題，采用基于Flotherm分析的散熱設(shè)計(jì)方法能較準(zhǔn)確評(píng)估實(shí)際工況中的溫度、速度、壓力場(chǎng)分布及風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)，從而幫助設(shè)計(jì)人員快速確定最佳設(shè)計(jì)方案。此外，運(yùn)用Flotherm熱分析手段進(jìn)行多方案篩選并確定的最優(yōu)方案能有效指導(dǎo)產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)，前期規(guī)避熱風(fēng)險(xiǎn)，提高產(chǎn)品可靠性和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)可以縮短研發(fā)周期，降低開發(fā)成本，有效解決實(shí)驗(yàn)研究中開發(fā)周期長(zhǎng)，成本高的問題。