利用Flotherm软件分析的光伏逆变器散热设计方法

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、