基于Flotherm分析的光伏逆变器的散热设计

摘要：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。通过计算流体动力学(CFD)数值仿真，与工程样机实测数据进行对比，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。同时介绍了海拔对散热的影响和修正，较好地验证了基于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：逆变器；热分析；热阻；结温

1 引言
    小功率光伏逆变器是小型电力电子设备的典型代表，IGBT模块作为逆变器的核心器件，在运行过程中会产生大量的热，约有1％～1．5％的有功功率转化为热能，这部分热量会使其内部集成的功率器件管芯发热、结温升高。若不能及时、有效地将此热量释放，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，这就需对散热方案进行全方位评估。
    这里通过Flotherm软件对小功率光伏逆变器进行系统级热分析和多方案筛选，对比仿真数据与工程样机实测数据，验证了基于Flotherm分析的电力电子设备散热设计的可行性与可靠度。

2 仿真原理与方案设计
    Flotherm是一款强大的三维CFD软件，CFD的仿真软件基本思想是将原来在时间域和空间域上连续的物理量的场，用有限个离散点上的变量值集合来代替，通过一定原则建立起关于这些离散点上场变量间关系的代数方程组，进行求解后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，小功率电力电子设备的散热设计可通过湍流模型描述。CFD仿真基本理论为：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。
    质量守恒方程为：
   
    式中：u，v，w是速度矢量V在直角坐标系x，y，z方向上的分量；μ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；
    能量守恒方程为：
   
    式中：λ为流体的导热系数；cp为流体的定压比热容。
    动量守恒、质量守恒方程是描写粘性流体过程的控制方程，适用于不可压缩粘性流体的层流及湍流流动。
    Flotherm软件中的Command Center模块采用了多目标优化算法，是一种在多个变量参数中确定最佳方案的途径。为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：
    f=W1R1+W2R2+KWNRN      (4)
    式中：W为代价权重；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，由这些数据可形成数量可观的输入变量组合，每一个输入变量组合对应一个实验。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实现仿真的前提是获取物理模型参数，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。
    对小功率光伏逆变器的物理模型参数做如下说明：①边界条件：环境温度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：机箱几何尺寸750x540x380 mm，IGBT模块热源尺寸31．5x68．4×10 am，电抗器尺寸71x71x25 mm；③材料参数：本系统共涉及5种材料Steel(Mild)，Copper(Pure)，Aluminum-6061，Silicon Carbide(Typical)，Ty pical Chip Array；其结构模型如图1所示。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。主要热耗点为分布于图1所示的升压和逆变PCB下端的A，B，C，D，E 5个IGBT模块及位于机箱背部编号为1～7的7个电感。箱体中各单板或模块上所有功耗器件的型号、热耗、最大壳温等参数如表1所示。

    根据箱体预留散热器空间大小，确定散热器空间最大尺寸为450x200x90 mm。散热器功率P=600 W，根据工程经验，基板厚度a=7lg-6，a最小值为2mm。P=600 W时，a=13．447mm，取a=14mm。根据风速初步估计，选取肋间距为6 mm。依据散热器空间高度尺寸及a，选取肋高为50 mm。基板宽度200 mm，肋片厚度取4 mm，可估算肋片数为20。散热器材质为Aluminum-6061，导热系数为180 W／(m·K)。
    在Command Center中输入优化的相关参数：肋高40～65 mm，肋片厚度1～4 mm，a为14～20 mm，肋间距5～7 mm。目标函数定义为编号A～E的IGBT模块的壳温。同时监视散热器的基板温度及其进出口空气温度。关键器件IGBT散热器设计优化参数如下：散热器包络体积为450x 200x76．5 mm，a=16．5 mm，肋片数为30，肋高60 mm，肋片厚度1．2 am，平均肋间距6．345 mm。
    ICBT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7个电感总热耗为210 W，利用风机鼓风在电感附近造成湍流气流强化散热。
    基于上述热耗分析，确定强制风冷总热耗Wtot=600 W，估计进出风口温升△T≈14℃，由工程经验可得系统所需有效风量为：
    q=1．76Wtot／△T      (5)
    算出q=75 CFM，根据箱体空间结构选择大小8 038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85 Pa，风量45 CFM。评估此系统至少需两台风机并联。通过系统仿真分析、筛选，此方案中5个功率模块共用一块散热器，上下机壳开孔率及进出风口开孔率均为60％。
    基于Flotherm软件仿真，对照图1中功率元器件编号，5个ICBT模块壳温由A～E依次为82．5 ℃，84．8 ℃，86．6 ℃，92．7℃，93．8 ℃；7个电抗器编号1～7，壳温分别为65．7 ℃，65．4 ℃，65．2℃，65．4℃，64．8℃，64．7 ℃，65．2 ℃。
    图2为CFD求解过程中监控点温度随迭代步数的收敛变化趋势。7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。

    IGBT模块中集成的IGBT芯片、二极管芯片和场效应管的结温为：
    Tj=Tc+PTDPRjc     (6)
    式中：PTDP为IGBT单芯片的最大热耗；Rjc为芯片结点至外壳的热阻，该值可在厂商提供的器件资料中查询到。
    由于评估的IGBT模块集成技术、内部布局为厂家机密文件，因此很难准确得到模块内每个芯片的准确热耗、结温、壳温及空间坐标。由于模块集成度较高，且热源(主要是IGBT，二极管，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热源，可近似得到功耗器件IGBT模块的壳温如表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)。可见，IGBT模块A～E的壳温均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，散热设计冗余，均可长期安全可靠工作。

3 实验
    在某地区实验温度为60℃的高温箱内，对样机进行满载热测试，数据如表3所示。

    通过对比表2，3可见，实测壳温均低于仿真值。考虑海拔对空气换热系数hc的影响，有：
    hch／hcl=(ph／pl)0.5      (7)
    式中：hch，hcl分别为高空和海平面的空气换热系数；ph，pl分别为高空和海平面的大气压力。
    该地区十月份ph=97 470 Pa，Pl=101 325 Pa，计算得hch=0．98hcl。牛顿冷却公式为Q=hcA△T，假设换热量Q不变，可推测温升增加到原来的1．02倍。以表3中A～C为例，加入海拔因素的修正壳温Tx=60+(82．1-60)／1．02=81．7℃。对比表2，3，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℃，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。

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较准确评估实际工况中的温度、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。此外，运用Flotherm热分析手段进行多方案筛选并确定的最优方案能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，同时可以缩短研发周期，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。