大功率变频器用水冷板的优化设计.pdf

第2 6 卷第0 5期变频器世界2 0 2 3年0 5月大功率变频器用水冷板的优化设计Optimal Design of Cooling Plate for High-power Frequency Converter上海辛格林纳新时达电机有限公司许佩佩(XuPeipei）张浏骏（Zhang Liujun）邢辉（XingHui)摘要：本文针对大功率变频器用水冷板的优化设计问题，通过数值模拟分析，探究了4种影响因素对水冷板散热性能及流道压损的影响，可以为相关工程人员提供设计参考。仿真结果表明：针对大功率变频器用水冷板，流道推荐采用并联形式，每个流道内再细化为S型分流道。S型分流道的截面积对流道损失影响较大。集流管截面尺寸对最高温度及流道压损的影响比较小。热源采用简化建模方式，T（结温）比按实际封装尺寸建模低3。关键词：变频器；水冷板；散热性能；压力损失；数值模拟Abstract:Aiming at the optimization design of high-power inverter cooling plate,this paper explores four influencingfactors on the heat dissipation performance of the cooling plate and the pressure loss through numerical simulationanalysis,which can provide design references for related engineers.The simulation results show that:for the high-powerinverter cooling plate,the runners are recommended to be connected in parallel,and each runner is refined into anS-shaped branch runner.The cross-sectional area of the S-shaped runner has a greater influence on the loss of the runner.The cross-sectional size of the header has a relatively small effect on the maximum temperature and the pressure lossof the runner.The heat source adopts a simplified modeling method,and T(junction temperature)is 3C lower than theactual packagesizemodeling.Key words:Frequency converter;Cooling plate;Thermal performance;Pressure loss;Numerical simulation【中图分类号】TN773【文献标识码】B【文章编号】156 1-0 330(2 0 2 3)0 5-0 0 6 3-0 51前言IGBT（i n s u la t e d g r i d b i p o la r t r a n s i s t o r)，绝缘栅双极型晶体管，具有驱动功率小而饱和压降低等优点，是能源转换与传输的核心器件，是变频器中的关键零件之一。IGBT模块的寿命及稳定性直接影响变频器的性能。而IGBT模块本身工作需要承受较大的电流，每秒开关达上千次，会伴随着开关损耗和通流损耗的产生，如果对IGBT模块无有效的散热措施，使其温度超过设计结温（一般为12 0 150 之间），会导致IGBT模块烧毁，影响整个变频器系统的运行。随着变频器单机功率的不断增大以及电子集成技术的进度，IGBT模块不断向高压、大容量、集成化的方向发展，IGBT模块面临的散热挑战日益提高。目前，应用于变频器IGBT模块的散热方式主要有强迫风冷和水冷。强迫风冷，因加工简单、成本低，仍有一定范围的使用，但往往伴随着机组运行噪音大、结构尺寸大、散热效果有限等问题。且随着功率密度的增大，强迫风冷已经面临散热瓶颈，即使采用增大热管、均温板、相变材料等，也很难满足散热要求，而且成本低及加工简单的优势也不再具有。与风冷相比，水冷具有散热效果好、噪音小、需求空间小等优点。因此，水冷变频器的使用正逐步增多。文献 2 介绍了冷板流道结构（O、U、S型）对水冷板传热性能的影响，文献 3 介绍了双面水冷IGBT在车载电机控制器中的应用，文献 4 介绍了冷却水流量对水冷散热器的影响。本文针对水冷变频器的散热问题进行水冷板的设计，利用仿真软件Icepak进行流体传热仿真，结合加工工艺可行性，探究不同的流道形式对散热效果及压力损失的影响，并探究仿真模型中热源的处理形式对结果的影响。2水冷板结构简介水冷板的结构示意图如图1所示，其中，1一一水冷板；2 一一IGBT功率模块，IGBT功率模块安装固定WWW.CA168.COM63综述SURVEYLECTURE5-热源在水冷板上，两者之间通常涂覆有导热材料，用以填充空气间隙，达到良好的散热性能。图1水冷板示意图IGBT功率模块的内部封装示意图如图2 所示，其中1-8 的具体参数如表1所示。35图2 IGBT内部封装示意图表1IGBT内部封装参数厚度名称(mm)1.IGBTchip0.1252.FWDchip0.1350.313.solder0.14.cufoil15.ceramic0.386.cufoil37.grease8.cool plate3传热模型的分析为了分析传热过程，可将IGBT功率模块内部的传热过程简化为如图3所示的一维热阻网络 5。TTolder,AAAM图3IGBT功率模块一维热阻网络64THEWORLDOFINVERTERSIGBT功率模块与水冷板间属于热传导，其热流量方程可写为：,-TW0,=AA,式（1）中：,一一热传导的导热量，W；T,一一IGBT功率模块的结温，；Tm一一水冷板内表面的温度，；a一一综合导热系数,W/（m);8 一一综合导热厚度，m；A 一一导热面积,m。水冷板与冷却液间的传热属于对流传热，其热流量方程可写为：O,=hA,(Tm-T.)式（2）中：，一一对流换热量，W；T m一一水冷板内表面的温度，；T.一一冷却液的平均温度，;h一对流换热系数，W/（m：）；A 一一对流换热面积，2m。4因为IGBT功率模块内部的封装已确定，结合公式6（1）和（2）可知，要增强IGBT功率模块的散热，可从以下几个方面入手：（1）增大IGBT功率模块与水冷板间导热材料的导热系数%，减小其厚度；（2）增大对8流换热系数h及对流换热面积A。4水冷板设计及仿真模型介绍4.1仿真模型介绍导热系数如表1所示，IGBT功率模块封装内部的锡焊及陶(W/mK)瓷层厚度都非常薄，为了减少网格的划分数量，提高计0.084算速度，在仿真模型中做了简化，对IGBT功率模块按0.084照铜基板和发热源处理。在后续的处理中，通过计算各0.063层因热阻产生的温差，最终计算得出IGBT功率模块重0.393要的参数：结温，即T，。仿真模型示意图如图4所示。0.0210.393TeufoilTceramic,64AAAN(1)(2)1-冷却板2-冷却液3-导热材料4-铜基板ToufoilTgregseTcoolplate图4仿真模型示意图仿真参数如表2 所示。且热源为17 6 7 W/个，一共6个；冷却液入口流量为18 L/min，入口温度为43。第 2 6 卷第0 5期变频器世界2 0 2 3年0 5月表2 仿真参数标号1234名称冷却板冷却液导热材料铜基板材料AL-606150%乙二醇Cu导热系数(W/mK)1670.43387.6密度(kg/m)2700108220008933比热容(J/kgK)89633001050397集流管单流道(a）水冷板流道方案a4.2水冷板设计介绍因IGBT功率模块上有较多的安装孔，流道设计中需注意流道边距离开孔边距5.5mm，这样才能保证可加工性及冷板耐压及密封性。主要的流道形式如图5所示，具体的水冷板流道参数如表3所示。表3水冷板流道参数方案集流管截面（mm）单流道截面(mm)热源尺寸（mm）方案a17X17方案b17X17方案b-217X17方案b-31717方案b-41919方案b-51515方案b-61717方案10175仿真结果分析通过有限元分析软件仿真所得结果如表4所示，主要罗列了水冷板（包含导热材料）上的最高温度及流道压损。方案a的流道为并联形式，6 路相同的并联流道贯穿于6 个IGBT功率模块的排列方向，通过进、出口集流管，实现冷却液的汇集与流动。方案b与方案a相比，(b）水冷板流道方案b图5水冷板流道示意图23X626X2506X626X2506X526X2506X426X2506X6262506X6262506X6892509426250(c）水冷板流道方案c表4仿真结果方案最高温度（）流道压损(kPa)方案a122.9方案b97.1方案b-295.8方案b-394.3方案b-497方案b-597方案b-678.3方案106.9每路并联流道细分为S型。方案c的每路并联流道，也是S型，但分布在每个IGBT功率模块下方。由图6 可知，方案a水冷板上的最高温度为122.9，6 路并联流道内的流速不均匀，远离进出口方向的流道内的流速较低。方案b水冷板上的最高温度为97.1，6 路并联流道内的流速比较均匀。方案水冷板上的最高温度为10 6.9，6 路并联流道内的流速比较均匀。所以可知，流道形式对散热结果影响较大，推荐采用方案b，即并联流道，再在每路并联流道内设计S型分流道，增大每路并联流道内的流速，增强换热效果。WWW.CA168.COM656.732.345.870.633.333.332.338.9综述SURVEYLECTURETemperatureC122.9113.2103.493.784.074.264.554.845.0方案A(a1)温度云图Speed m/s2.01.81.51.31.00.80.50.30.0(a2）速度截面云图Speed m/s2.01.71.51.21.00.70.50.20.0方案B(b1）温度云图TemperatureC106.999.191.383.575.667.860.052.144.3(b2）速度截面云图TemperatureC97.190.584.077.470.864.357.751.244.6Speed m/s2.42.11.81.51.20.90.60.30.0方案C(c1）温度云图(c2）速度截面云图图6 仿真结果云图5.2单流道截面尺寸的影响方案b、方案b-2和方案b-3的区别在于，S型分流道的截面积大小不同，分别为6 6 mm、6 5m m 和64mm。其仿真结果的云图分布与图7 类似，在此不再赘述。如图7 所示，方案b、方案b-2和方案b-3的最高温度相差不到3，而流道压损分别为32.3、45.8和7 0.6 kPa,增幅很大。所以，在温度满足要求的情况下，需综合考虑流道压损的大小，因为压损过大，会造成内循环水系统的泵选型困难，故推荐方案b。5.3集流管截面尺寸的影响方案b、方案b-4和方案b-5的区别在于，进、出口集流管的截面积大小不同，分别为17 17 mm、1919mm和1515mm。其最高温度分别为97.1、97和9 7，流道压损分别为32.3kPa、33.3k Pa 和33.3kPa。由此可知，此种形式的流道，集流管截面尺66THEWORLDOFINVERTERS120100806040200寸对最高温度及流道压损的影响比较小，故不用作为优化细化的优先项。最高温度（）流道压损（Kpa）方案方案b-2图7 单流道截面尺寸结果图方案b-3第 2 6 卷 第 0 5 期变频器世界2 0 2 3年0 5月5.4热源尺寸的影响方案b和方案b-6的区别在于，方案b中的热源按照IGBT功率模块的内部实际封装结构建模，而方案b-6中的热源直接按照IGBT功率模块铜基板的尺寸建模。结果显示，方案b和方案b-6的最高温度分别为9 7.1和7 8.3。该模块的Rjc（结-壳热阻)为15.5/kW，所以计算方案b和方案b-6的Tj（结温)分别为：Tlo)=R,*Por+Tu*PiGB+Tmmax1000方案b-6的简化建模方式，Tj（结温）比按实际封装尺寸建模低3。在工程项目初步方案评估时，为了缩短建模及计算时间，或者前期缺少IGBT功率模块的实际封装模型时，可以采用这种建模方式。但在工程项目详细设计时，推荐使用详细建模，这样可以得到更精确的计算结果。Temperature C78.374.169.965.761.557.253.048.844.6图8 方案b-6仿真结果云图（3）进、出口集流管截面尺寸对最高温度及流道压损的影响比较小，故不用作为优化细化的优先项；（4)热源采用简化建模方式，T，（结温）比按实际封装尺寸建模低3。在工程项目初步方案评估时，可以采用这种建模方式。但在工程项目详细设计时，推荐使用详细建模，这样可以得到更精确的计算结果。15.5参考文献：*744+97.1=108.6100015.5*1766+78.3=105.61孟建岭，张立新，张新旺，等.风电机组变流器立式水冷板的设计与仿真研究 J.太阳能学报，2 0 2 1,42(0 9):2 31-2 35.2孟建岭，张立新，张新旺，等，流场结构对电抗器水冷板传热性能影响的研究 J.低温与超导，2 0 2 0,48(0 7):6 1-6 5.3】霍达，胡磊.双面水冷IGBT在车载电机控制器中的应用 J.微特电机，2 0 2 1,49(10):50-53.4苗盈瀛.矿用大功率隔爆变频器热设计开发 J.煤炭科学技术,2 0 16,44(S1):102-105.5杨世铭，陶文铨.传热学（第4版)HeatTransferM.高等教育出版社，2 0 0 6.6结论本文针对大功率变频器用水冷板的优化设计问题，通过数值模拟分析，探究了4种影响因素对水冷板散热性能及流道压损的影响，可以为相关工程人员提供设计参考。结论如下：（1）流道形式对水冷板散热性能及流道压损的影响很大，针对大功率变频器用水冷板，流道推荐采用并联形式，每个流道内再细化为S型分流道。这样既可以减小流道压损，又能增强水冷板的散热性能；（2）S型分流道的截面积分别为6 6 mm、6 5m m和6 X4mm时，最高温度相差不到3，而流道压损分别为32.3、45.8 和7 0.6 kPa，增幅很大。所以，在温度满足要求的情况下，需综合考虑流道压损的大小，选择流道的设计；WWW.CA168.COM67