基于Flotherm分析的光伏逆變器的散熱設計
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在Command Center中輸入優(yōu)化的相關參數(shù)：肋高40～65 mm，肋片厚度1～4 mm，a為14～20 mm，肋間距5～7 mm。目標函數(shù)定義為編號A～E的IGBT模塊的殼溫。同時監(jiān)視散熱器的基板溫度及其進出口空氣溫度。關鍵器件IGBT散熱器設計優(yōu)化參數(shù)如下：散熱器包絡體積為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機以強冷方式散熱。其次封裝在箱體背部下方的7個電感總熱耗為210 W，利用風機鼓風在電感附近造成湍流氣流強化散熱。
基于上述熱耗分析，確定強制風冷總熱耗Wtot=600 W，估計進出風口溫升△T≈14℃，由工程經(jīng)驗可得系統(tǒng)所需有效風量為：
q=1．76Wtot／△T (5)
算出q=75 CFM，根據(jù)箱體空間結構選擇大小8 038的軸流風機對此系統(tǒng)進行冷卻，假定此風機工作在效率最大點：靜壓85 Pa，風量45 CFM。評估此系統(tǒng)至少需兩臺風機并聯(lián)。通過系統(tǒng)仿真分析、篩選，此方案中5個功率模塊共用一塊散熱器，上下機殼開孔率及進出風口開孔率均為60％。
基于Flotherm軟件仿真，對照圖1中功率元器件編號，5個ICBT模塊殼溫由A～E依次為82．5 ℃，84．8 ℃，86．6 ℃，92．7℃，93．8 ℃；7個電抗器編號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)控點溫度隨迭代步數(shù)的收斂變化趨勢。7個電抗器處于右側兩個風機鼓風造成的湍流區(qū)域中，其冷卻效果得到強化。本文引用地址：http://2s4d.com/article/192796.htm
IGBT模塊中集成的IGBT芯片、二極管芯片和場效應管的結溫為：
Tj=Tc+PTDPRjc (6)
式中：PTDP為IGBT單芯片的最大熱耗；Rjc為芯片結點至外殼的熱阻，該值可在廠商提供的器件資料中查詢到。
由于評估的IGBT模塊集成技術、內部布局為廠家機密文件，因此很難準確得到模塊內每個芯片的準確熱耗、結溫、殼溫及空間坐標。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)計同規(guī)格模塊中仿真溫度最大的值，且降額設計殼溫參考國軍標Ⅱ級降額標準，系數(shù)0．8)?？梢?，IGBT模塊A～E的殼溫均未超過設定的降額殼溫，且有適當余量。電感Lin，Lout，L1～L7殼溫均遠低于降額設計溫度，散熱設計冗余，均可長期安全可靠工作。
3 實驗
在某地區(qū)實驗溫度為60℃的高溫箱內，對樣機進行滿載熱測試，數(shù)據(jù)如表3所示。
通過對比表2，3可見，實測殼溫均低于仿真值?？紤]海拔對空氣換熱系數(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，計算得hch=0．98hcl。牛頓冷卻公式為Q=hcA△T，假設換熱量Q不變，可推測溫升增加到原來的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℃。對比表2，3，加入海拔修正后，仿真殼溫與實測修正后的殼溫最高僅差4．9℃，驗證了基于Flotherm軟件分析的電力電子設備散熱設計的優(yōu)勢和可靠度。
4 結論
對于電力電子設備的散熱設計問題，采用基于Flotherm分析的散熱設計方法能較準確評估實際工況中的溫度、速度、壓力場分布及風機工作點，從而幫助設計人員快速確定最佳設計方案。此外，運用Flotherm熱分析手段進行多方案篩選并確定的最優(yōu)方案能有效指導產(chǎn)品熱設計，前期規(guī)避熱風險，提高產(chǎn)品可靠性和市場競爭力，同時可以縮短研發(fā)周期，降低開發(fā)成本，有效解決實驗研究中開發(fā)周期長，成本高的問題。
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