基于Flotherm分析的光伏逆變器的散熱設(shè)計(jì)

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(guò)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(mǎn)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(guò)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(guò)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(lái)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(lái)代替，通過(guò)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(wèn)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(guò)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(wú)內(nèi)熱源的三維對(duì)流傳熱問(wèn)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(wèn)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(xiě)粘性流體過(guò)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(guò)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(wèn)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(shuō)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)。