摘要: 傳統(tǒng)電力電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)采用的熱控制方法不但完全依賴工程師的經(jīng)驗(yàn)，而且需要反復(fù)試制樣機(jī)測(cè)試進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。本文通過自主發(fā)開發(fā)了一套適用于投入式液位計(jì)散熱設(shè)計(jì)的程序，能夠快速的對(duì)投入式液位計(jì)的流道和電力電子器件的溫升進(jìn)行計(jì)算，并采用有限元的分析方法和實(shí)驗(yàn)對(duì)該程序進(jìn)行了驗(yàn)證。

隨著微電子技術(shù)、高密度三維組裝技術(shù)的迅速發(fā)展，功率元件的應(yīng)用越來越多，電子器件的封裝形式及性能也不斷提升，現(xiàn)代電子產(chǎn)品正日益成為由高密度組裝、微組裝所形成的高度集成系統(tǒng)。國外統(tǒng)計(jì)資料表明: 電子元器件溫度每升高2℃，可靠性下降 10%; 溫度升高 50℃時(shí)壽命只有溫升25℃時(shí)的 1/6，高溫因素大大增加了電子產(chǎn)品的故障率。因此，這就需要對(duì)電子產(chǎn)品進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，從而確保產(chǎn)品在工作時(shí)具有良好的熱環(huán)境［1］ 。

傳統(tǒng)的電子產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)采用的是熱控制方法: 經(jīng)驗(yàn)和樣機(jī)測(cè)試。這種方法雖然具有一定的實(shí)用價(jià)值，但由于經(jīng)驗(yàn)依賴性大，計(jì)算量也相對(duì)較大，設(shè)計(jì)調(diào)整次數(shù)也較多，從而造成開發(fā)周期加長、開發(fā)成本增加［2］ 。為了提高電子元器件和產(chǎn)品的熱可靠性以及對(duì)各種惡劣環(huán)境條件的適應(yīng)能力，深入探索散熱技術(shù)，掌握電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)及熱仿真分析的新方法很有必要。

中央研究院機(jī)械系統(tǒng)與智能制造室在完成大量的電力電子投入式液位計(jì)散熱設(shè)計(jì)和仿真分析的基礎(chǔ)上，對(duì)投入式液位計(jì)散熱設(shè)計(jì)方法進(jìn)行總結(jié)，自主開發(fā)出投入式液位計(jì)熱設(shè)計(jì)軟件，能夠快速的對(duì)投入式液位計(jì)的流道進(jìn)行設(shè)計(jì)，并計(jì)算出電力電子器件的溫升。采用有限元分析軟件對(duì)開發(fā)的軟件的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比和驗(yàn)證。

1 投入式液位計(jì)散熱器設(shè)計(jì)

1. 1 典型的投入式液位計(jì)散熱系統(tǒng)

大功率電力電子模塊#常用的散熱方式有強(qiáng)迫風(fēng)冷、液體冷卻和相變冷卻。強(qiáng)迫風(fēng)冷具有結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此在實(shí)際工程中具有廣泛的應(yīng)用 ［3］ ，但同時(shí)其又具有難以避免的缺陷，比如: 風(fēng)機(jī)噪聲大，散熱能力有限，風(fēng)機(jī)易積灰為易損件、需要定期檢修更換，特別是當(dāng)環(huán)境要求高、熱損耗功率大時(shí)，強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱難以滿足要求。

相變冷卻是利用液體在沸騰過程中吸收大量氣化潛熱的一種高效方法，由于相變過程中伴隨著能量的釋放和吸收，其冷卻能力比自然冷卻高1 000倍，但其需要配備復(fù)雜的管路系統(tǒng)和制冷劑，成本高，實(shí)際使用受限。

液體冷卻的常用冷卻工質(zhì)為水，其來源廣泛、環(huán)境友好、價(jià)格低廉。投入式液位計(jì)散熱器是水冷散熱系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，投入式液位計(jì)的性能直接決定了散熱效果和系統(tǒng)的可靠性［4 －6］ 。

典型的投入式液位計(jì)散熱系統(tǒng)包括投入式液位計(jì)散熱器、功率器件、水泵、外部散熱器、管道等。投入式液位計(jì)一般為一塊帶有水流道的鋁制平板或者平滑銅管板體。如下圖所示 1 所示為典型的投入式液位計(jì)散熱結(jié)構(gòu)，其主要的工作原理是功率器件的熱量傳遞到投入式液位計(jì)上，投入式液位計(jì)導(dǎo)熱到流道內(nèi)的冷卻介質(zhì)，冷卻介質(zhì)由水泵引出，通過外部散熱器將冷卻介質(zhì)的熱量帶走。

1. 2 設(shè)計(jì)需求描述

設(shè)計(jì)投入式液位計(jì)的流道，保證功率器件 IGBT 的結(jié)溫在有效的范圍內(nèi)，投入式液位計(jì)和功率器件 IGBT 的尺寸及結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2 所示，設(shè)計(jì)需求見下表 1所示:

2 投入式液位計(jì)熱設(shè)計(jì)軟件基本原理

( 1) 管內(nèi)流速及管道橫截面參數(shù)確定根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，為了保證傳熱效果且壓力損失不至于很大，管內(nèi)流速維持在 1 ～ 2m/s 范圍內(nèi)。流道內(nèi)的流速可按公式 1 計(jì)算:

根據(jù)以上計(jì)算可以初步選擇流道的橫截面參數(shù) a、b。

( 2) IGBT 表面溫度校核將從發(fā)熱元件到冷卻液的熱流路徑分解為 4段，依次為:

①Δt 1 : 從 IGBT 管殼到投入式液位計(jì)表面之間的溫升，接觸面上使用硅脂; 按照式( 2) 進(jìn)行計(jì)算:

3 計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

3. 1 快速熱設(shè)計(jì)軟件與有限元分析元件計(jì)算結(jié)果比對(duì)

以 20 kW 電動(dòng)車控制器投入式液位計(jì)為例，采用有限元熱分析軟件對(duì)投入式液位計(jì)散熱進(jìn)行仿真分析。如下圖3 所示為20 kW 電動(dòng)車控制器外形圖，圖4 所示為 20 kW 電動(dòng)車控制器投入式液位計(jì)流道結(jié)構(gòu)示意圖。單個(gè) IGBT 的發(fā)熱功率為1 500 W，共1 個(gè)，總發(fā)熱功率為1 500 W; 環(huán)境溫度為 27℃，冷卻水入口溫度 20℃，冷卻水流量 10 L/min; 投入式液位計(jì)材料為6060 鋁合金。

建立有限元仿真分析模型，設(shè)置邊界條件和劃分網(wǎng)格，有限元分析模型如圖 5 所示，發(fā)熱器件表面溫度分布如圖 6 所示，投入式液位計(jì)內(nèi)的流線圖如圖7 所示:

采用快速熱設(shè)計(jì)軟件計(jì)算得到 IGBT 表面溫升為 9. 97℃，即 IGBT 表面溫度為 36. 97℃。采用有限元軟件和快速熱設(shè)計(jì)軟件計(jì)算結(jié)果的對(duì)比如下表 2 所示，計(jì)算結(jié)果偏差在 10%的范圍內(nèi)。

3. 2 快速熱設(shè)計(jì)軟件與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果比對(duì)為了更好的對(duì)快速熱設(shè)計(jì)軟件和有限元軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，搭建了投入式液位計(jì)散熱性能測(cè)試平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)裝置由水冷機(jī)、渦輪流量計(jì)、Pt100 熱電阻、精密壓力表、加熱板以及管路和閥門組成，實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)圖如下圖 8 所示:

 

水冷機(jī)為整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)提供溫度和壓力恒定的循環(huán)水，冷水機(jī)流量#大值為 38. 7L/min，水壓力為 2. 3bar。水冷機(jī)的冷凍水出口與投入式液位計(jì)進(jìn)口管路相連，經(jīng)過投入式液位計(jì)散熱器換熱后的水與投入式液位計(jì)出口管路相連，經(jīng)過出口管路的水#后回到冷水機(jī)中，進(jìn)行冷卻，由此形成一個(gè)閉式的循環(huán)系統(tǒng)。測(cè)試系統(tǒng)中使用加熱板來模擬不同功率大小的 IGBT 發(fā)熱元件，可以通過功率調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)加熱板的發(fā)熱功率。投入式液位計(jì)測(cè)試平臺(tái)如下圖 9 所示:

對(duì) 20 kW 控制器投入式液位計(jì)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試輸入條件為: 冷卻水流量分別為 6 ～ 10L/min，冷卻水進(jìn)口溫度 20℃ 通過功率調(diào)節(jié)器將加熱塊功率調(diào)節(jié)至 1. 5 kW，室內(nèi)環(huán)境溫度為 27℃。因加熱板的發(fā)熱原理與 IGBT 不同，不能直接測(cè)試加熱板表面溫度來評(píng)估 IGBT 溫度。我們可以對(duì)投入式液位計(jì)進(jìn)出口冷卻水溫升進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3 所示: 通過對(duì)比可以看出，快速熱設(shè)計(jì)軟件計(jì)算中的 Δt 4 與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果能夠保持誤差在10%的范圍內(nèi)。

4 結(jié)語

本文主要闡述了東方電氣中央研究院開發(fā)的投入式液位計(jì)快速熱設(shè)計(jì)軟件的基本原理和采用有限元分析軟件以及實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，計(jì)算結(jié)果偏差能夠保持在有效的范圍內(nèi)，驗(yàn)證了快速熱設(shè)計(jì)軟件計(jì)算的有效性。雖然快速熱設(shè)計(jì)軟件計(jì)算不能反映出功率器件的溫度分布和流道內(nèi)的流動(dòng)情況，但是采用此軟件對(duì)投入式液位計(jì)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)具有非常高的效率，極大的縮減了研發(fā)設(shè)計(jì)人員方案設(shè)計(jì)的周期，提高了投入式液位計(jì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率。