徐濤 阮承治

摘要：針對大功率電力電子裝置散熱控制系統(tǒng)存在的風(fēng)機(jī)選擇不準(zhǔn)確，風(fēng)道設(shè)計和擾流片安裝不合理的問題，本文設(shè)計了一種大功率電力電子裝置自適應(yīng)散熱控制系統(tǒng)。采用風(fēng)冷散熱控制方式對大功率電力電子裝置進(jìn)行散熱控制，并根據(jù)電力電子裝置中的熱路和熱阻選擇風(fēng)機(jī)。同時，通過分析電力電子裝置的熱傳遞，對風(fēng)道和擾流片進(jìn)行合理設(shè)計和安裝，為驗(yàn)證該系統(tǒng)是否滿足大功率電力電子裝置的散熱控制要求，在Modelsim平臺上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在測點(diǎn)半徑相同的情況下，當(dāng)大功率電力電子裝置風(fēng)機(jī)電壓分別為280 V和360 V時，本文方法在速度上均高于當(dāng)前方法;在電力電子裝置發(fā)熱功率和散熱控制器相同的條件下，電力電子裝置的熱阻越小，散熱控制效果越好;在發(fā)熱功率、散熱控制器和風(fēng)機(jī)等相同條件下，該系統(tǒng)對大功率電力電子裝置的散熱系統(tǒng)進(jìn)行有效控制。該研究為大功率電力電子裝置的安全運(yùn)行提供了保障。

關(guān)鍵詞：大功率; 電力電子裝置; 散熱控制系統(tǒng); 發(fā)熱功率; 散熱控制器

中圖分類號： TM46; TP273.+2??文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

收稿日期： 20191224; 修回日期： 20200423

基金項(xiàng)目：福建省自然科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目（2018J01471）;福建省高校杰出青年科研人才計劃（閩教科（2018）47）

作者簡介：徐濤（1984），男，山東煙臺人，碩士，講師，主要研究方向?yàn)殡娮油ㄐ排c自動控制技術(shù)。

通信作者：阮承治（1984），男，安徽安慶人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)樽詣涌刂坪椭悄芸刂?。Email： xutao546857@163.com

隨著新能源光伏、風(fēng)力和電力等產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，光伏發(fā)電機(jī)組和風(fēng)電機(jī)組開始逐漸向大功率化方向發(fā)展[1]。光伏發(fā)電機(jī)組和風(fēng)電機(jī)組的大型化發(fā)展，使電力電子裝置廣泛應(yīng)用在大功率工業(yè)領(lǐng)域中[2]。由于電力電子裝置的開發(fā)具有低成本和易于維護(hù)的特點(diǎn)，而絕緣柵型雙極晶體管是大功率電力電子裝置中較為重要的器件，帶動了絕緣柵型雙極晶體管的快速發(fā)展，提高了電力電子裝置的開關(guān)頻率和容量，因此對電力電子裝置研究具有重要意義。近年來，相關(guān)學(xué)者也對電力電子裝置進(jìn)行大量的研究，H.Zenk[3]研究電力電子裝置開關(guān)電氣性能控制系統(tǒng)，提出一種有效的開關(guān)選擇算法，并將其應(yīng)用于電力電子開關(guān)效率的電路估計。同時對電路中使用的電力電子開關(guān)的電流電壓功率容量、開關(guān)速率、功率損耗、物理尺寸、加熱水平等進(jìn)行了研究，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了算法估計;王勝斌[4]對電力電子裝置在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行研究。電力電子裝置在微電網(wǎng)的應(yīng)用主要包括監(jiān)控保護(hù)裝置、蓄能裝置、分布式電源和功率轉(zhuǎn)換器，應(yīng)用這些保護(hù)裝置可以提高微電網(wǎng)通信監(jiān)控的及時性，防止由于負(fù)荷過重而造成系統(tǒng)癱瘓。雖然上述研究取得了一定進(jìn)展，但目前電力電子裝置散熱控制系統(tǒng)存在散熱控制效果差的問題，導(dǎo)致電力電子裝置中開關(guān)的損耗也逐漸加大。為解決上述問題，本文提出一種大功率電力電子裝置自適應(yīng)散熱控制系統(tǒng)設(shè)計方法并在Modelsim平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計的大功率電力電子裝置自適應(yīng)散熱控制系統(tǒng)，散熱效果好。該研究為實(shí)際的電力電子裝置自適應(yīng)散熱控制系統(tǒng)的應(yīng)用提供一定的參考。

1?散熱控制方案

為了限制大功率電力電子裝置的結(jié)溫，在實(shí)際應(yīng)用中，可采取減少大功率電力電子裝置外熱阻方面的措施[56]，最大程度的減少散熱控制器熱阻和接觸熱阻，使大功率電力電子進(jìn)行散熱控制[79]。大功率電力電子裝置的散熱控制器與器件之間的裝配質(zhì)量是決定其正常運(yùn)行的基礎(chǔ)[10]。大功率電力電子裝置中的器件需要與安裝臺面具有適當(dāng)?shù)慕佑|面積，形成良好的導(dǎo)熱面和導(dǎo)電面，根據(jù)大功率電力電子裝置品種、容量、外形條件的不同，散熱控制系統(tǒng)的設(shè)計也不相同。

1.1?接觸熱阻

1.1.1?器件封裝形式與接觸熱阻的關(guān)系

大功率電力電子裝置的封裝形式不同，裝置的接觸熱阻也不相同。大功率電力電子裝置的接觸熱阻還與散熱控制器和電力電子裝置器件間是否存在硅油和墊圈等有關(guān)[1112]。散熱控制器與大功率電力電子裝置的接觸表面要保持平整，避免大功率電力電子裝置的外殼受到大氣的侵蝕，在其器件表面進(jìn)行鍍金銀等措施。

1.1.2?安裝力與電力電子裝置接觸熱阻的關(guān)系

根據(jù)大功率電力電子裝置容量的不同，其器件分為平板型器件和螺栓型器件[1314]。為了減少熱阻，平均額定電流較大的電力電子裝置多選用雙面冷卻平板型結(jié)構(gòu)。在大功率電力電子裝置器件中，平板型器件的壓緊力較好，而螺栓型器件的鎖緊力矩較好[1516]。

1.2?散熱控制器熱阻

散熱控制器將熱能傳遞到環(huán)境中的方式有輻射和對流兩種，散熱控制器熱阻是從環(huán)境介質(zhì)到電力電子裝置散熱控制器的熱阻，而散熱控制器熱阻與散熱控制器的環(huán)境冷卻方式、質(zhì)地、安裝位置、結(jié)構(gòu)和表面顏色等因素有關(guān)。散熱控制器的質(zhì)地有兩種，分別為鋁質(zhì)和銅質(zhì)[1718]。鋁質(zhì)散熱控制器表面可進(jìn)行陽極氧化或涂漆;銅質(zhì)散熱控制器表面需要鈍化、涂漆或電鍍[1920]。通常情況下，電力電子裝置的散熱控制器表面陽極化處理的散熱控制效果比表面涂黑的散熱控制效果差，對于大功率電力電子裝置的散熱控制器，其長度的增加，會減小熱阻，當(dāng)大功率電力電子裝置的散熱控制器長度增長到一定程度時，此時大功率電力電子裝置的熱阻下降幅度較小。

1.3?散熱控制方式

大功率電力電子裝置散熱控制器中常用的冷卻方式為沸騰冷卻、自冷、液冷和風(fēng)冷4種，本文采用風(fēng)冷散熱控制方式對大功率電力電子裝置的散熱控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。

2?總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于大功率電力電子裝置的尺寸受限制，因此提高大功率電力電子裝置散熱控制效果的最佳方法是合理引入紊流，大功率電力電子裝置自適應(yīng)散熱控制系統(tǒng)如圖1所示。

對大功率電力電子裝置自適應(yīng)散熱控制系統(tǒng)變壓器電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，采用中性點(diǎn)箝位三電平SPWM逆變橋和24脈波不控整流橋，并采用風(fēng)冷散熱控制。

2.1?熱路和熱阻

當(dāng)大功率電力電子裝置中的熱阻和熱路之間存在溫度差時，其熱能會從高溫點(diǎn)傳送到低溫點(diǎn)。在大功率電力電子裝置中，半導(dǎo)體芯片內(nèi)部是主要發(fā)熱部分，其熱量通過散熱控制器、芯片外殼傳送到環(huán)境介質(zhì)中。當(dāng)大功率電力電子裝置中的溫度為穩(wěn)定狀態(tài)時，其芯片每秒發(fā)散的熱量與每秒消耗功率產(chǎn)生的熱量相等，結(jié)溫保持穩(wěn)定，不再升高。大功率電力電子裝置器件等效熱回路可根據(jù)熱量傳導(dǎo)過程繪出。

大功率電力電子裝置的熱回路圖與電路圖類似，采用電學(xué)模擬方法描述大功率電力電子裝置中的熱量傳輸，將大功率電力電子裝置中的溫差比作電壓，單位時間內(nèi)大功率電力電子裝置的功耗比作電流，將熱阻看做電阻。通常情況下，大功率電力電子裝置散熱控制時，總熱阻由散熱控制器到環(huán)境介質(zhì)的散熱控制器熱阻、大功率電力電子裝置外殼到散熱控制器接觸熱阻、芯片到大功率電力電子裝置外殼熱阻構(gòu)成。大功率電力電子裝置的散熱控制是由高溫區(qū)傳遞到低溫區(qū)，即環(huán)境溫度<大功率電力電子裝置散熱控制器溫度<大功率電力電子裝置外殼溫度<結(jié)溫。大功率電力電子裝置散熱控制示意圖如圖2所示。熱阻代表介質(zhì)傳熱能力，其物理意義是單位時間內(nèi)大功率電力電子裝置功耗所引起的溫升，散熱控制回路圖如圖3所示。

圖3中，Tj表示電力電子裝置絕緣柵型雙極晶體管管芯的結(jié)溫，Tc表示電力電子裝置絕緣柵型雙極晶體管管殼的溫度，Rjc表示電力電子裝置絕緣柵型雙極晶體管結(jié)殼間的熱阻，其值的大小與電力電子裝置的封裝結(jié)構(gòu)和管芯尺寸有關(guān)，Rcs表示電力電子裝置散熱控制器表面與絕緣柵型雙極晶體管外殼之間的熱阻，與電力電子裝置器件的封裝和安裝技術(shù)有關(guān)，Rsa表示周圍空氣與散熱控制器間的熱阻，與空氣接觸面積、散熱控制材質(zhì)有關(guān)。

2.2?電力電子裝置熱傳遞

當(dāng)大功率電力電子裝置進(jìn)行對流換熱時，其周圍空氣沿著大功率電力電子裝置的散熱控制器表面進(jìn)行流動。因?yàn)榭諝饩哂辛黧w粘性，熱邊界層會產(chǎn)生在臨近大功率電力電子裝置散熱控制器表面的區(qū)域，且隨著大功率電力電子裝置周圍空氣的流動而擴(kuò)散，空氣流和紊流的發(fā)展過程如圖4所示。

由圖4a可以看出，當(dāng)大功率電力電子裝置周圍的空氣到達(dá)x=0+截面時，由于空氣的粘性作用，使電力電子裝置周圍的空氣在y=0時處于靜置狀態(tài)，此時大功率電力電子裝置周圍空氣的流速減小，并通過y方向逐漸傳播，且電力電子裝置周圍的流體向x方向移動，導(dǎo)致大功率電力電子裝置熱邊界層的厚度γ增加。大功率電力電子裝置的熱邊界層越薄，熱阻越小，電力電子裝置的散熱控制效果越好。由圖4b可以看出，在流體力學(xué)原理的基礎(chǔ)上，對大功率電力電子裝置周圍空氣基于散熱控制器表面的流動方向進(jìn)行改變，在大功率電力電子裝置的流場內(nèi)加入紊流，減小大功率電力電子裝置熱邊界層的厚度γ。由上述散熱控制理論可知，降低大功率電力電子裝置的熱阻，提高其散熱控制效果的方法是準(zhǔn)確選用風(fēng)機(jī)，合理設(shè)計風(fēng)道。

2.3?風(fēng)道設(shè)計和風(fēng)機(jī)選型

在設(shè)計風(fēng)道和選擇風(fēng)機(jī)時，首先應(yīng)對大功率電力電子裝置中每個柜體的總熱量進(jìn)行計算，計算時需要考慮吸收回路的損耗和回路母線的發(fā)熱。大功率電力電子裝置自適應(yīng)散熱控制系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)風(fēng)量為

P=10-3Q/ρc（T0-TA）（1）

式中，Q表示大功率電力電子裝置柜內(nèi)的總發(fā)熱量;ρ表示空氣密度;c表示空氣中的比熱容;TA為大功率電力電子裝置周圍的環(huán)境溫度;T0表示大功率電力電子裝置排氣口中的空氣溫度。

由式（1）計算大功率電力電子裝置需要的風(fēng)機(jī)風(fēng)量，并通過散熱控制器熱阻，確定大功率電力電子裝置的風(fēng)機(jī)風(fēng)壓。設(shè)置大功率電力電子裝置中高壓變頻器的進(jìn)風(fēng)方式和風(fēng)道，高壓變頻器進(jìn)風(fēng)方式和風(fēng)道如圖5所示。

將組件安裝在大功率電力電子裝置的前部，其后部為獨(dú)立的密封風(fēng)腔，在大功率電力電子裝置中，組件的散熱控制器通過引風(fēng)罩與風(fēng)腔連接，外部氣流通過其頂部抽風(fēng)機(jī)進(jìn)入其內(nèi)部，外部氣流通過散熱控制器完成熱交換后引入到裝置的風(fēng)腔中，最后通過裝置的排風(fēng)口排出。因?yàn)榇蠊β孰娏﹄娮友b置中的組件散熱控制器與風(fēng)腔通過獨(dú)立的風(fēng)罩密封連接，使氣流通過大功率電力電子裝置的齒間間隙，保證了散熱控制器與氣流的熱交換面積，提高了氣流的利用率。濾網(wǎng)設(shè)置在大功率電力電子裝置的入風(fēng)口中，保證氣流的潔凈。

3?測試與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證大功率電力電子裝置自適應(yīng)散熱控制系統(tǒng)選擇的風(fēng)機(jī)與設(shè)計的風(fēng)道是否滿足大功率電力電子裝置的散熱控制要求，在Modelsim平臺上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。對大功率電力電子裝置柜體布局的空氣流量進(jìn)行測量，在大功率電力電子裝置中設(shè)置9個測試點(diǎn)，測試點(diǎn)中的半徑分別為0，24，49，74，109，130，151，172，194 mm，對測試點(diǎn)進(jìn)行布置，測試點(diǎn)布置如圖6所示。

采用本文方法和當(dāng)前電力電子裝置散熱控制系統(tǒng)進(jìn)行測試，當(dāng)大功率電力電子裝置風(fēng)機(jī)電壓分別為280 V和360 V時，兩種不同方法的測試結(jié)果如表1所示。

由表1可以看出，在測點(diǎn)半徑相同的情況下，當(dāng)大功率電力電子裝置風(fēng)機(jī)電壓分別為280 V和360 V時，本文方法在速度上均高于當(dāng)前方法，驗(yàn)證了本研究可以滿足大功率電力電子的散熱控制需求。

為研究在大功率電力電子裝置條件下，風(fēng)道對大功率電力電子裝置散熱控制的影響，本文在電力電子裝置發(fā)熱功率和散熱控制器相同的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，采用大功率電阻固定在電力電子裝置的散熱控制器上，對電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，可準(zhǔn)確設(shè)定大功率電阻的發(fā)熱功率，而電力電子裝置中散熱控制器的溫度通過電子點(diǎn)溫計進(jìn)行測量，電子點(diǎn)溫計的精度為015 ℃，選取靠近發(fā)熱元件的位置作為電力電子裝置的測溫點(diǎn)，采

用水銀溫度計對實(shí)驗(yàn)過程中電力電子裝置周圍的環(huán)境溫度進(jìn)行測量，實(shí)驗(yàn)過程所需要的時間約為30 min，每隔10 min對電力電子裝置周圍的環(huán)境溫度和散熱控制器的溫度進(jìn)行記錄，判斷電力電子裝置散熱控制系統(tǒng)是否達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，通過測量電力電子裝置周圍環(huán)境的溫度和散熱控制器的溫度，確定電力電子裝置中散熱控制器周圍環(huán)境的熱阻，并分別采用大功率電力電子裝置自適應(yīng)散熱控制系統(tǒng)和當(dāng)前3種不同的電力電子裝置散熱控制系統(tǒng)對其進(jìn)行散熱控制操作，4種不同方法的測試結(jié)果如圖7所示。電力電子裝置中的熱阻越小，電力電子裝置的散熱控制效果越好;電力電子裝置中的熱阻越大，電力電子裝置的散熱控制效果越差。

由圖7可以看出，本文方法的熱阻小于當(dāng)前3種不同的方法，在當(dāng)前方法a和c中，氣流與電力電子裝置中散熱控制器處于平行狀態(tài)，層流是該方法中的主要流場，導(dǎo)致電力電子裝置的散熱控制效果較差;使用當(dāng)前方法b對電力電子裝置進(jìn)行散熱控制時，電力電子裝置周圍的空氣流速較快，但該方法沒有將電力電子裝置周圍的空氣引導(dǎo)沖向散熱控制器，在電力電子裝置散熱控制器的表面未形成紊流，導(dǎo)致散熱控制效果不佳。電力電子裝置的熱阻越小，其散熱控制效果越好，說明大功率電力電子裝置自適應(yīng)散熱控制系統(tǒng)可以有效的進(jìn)行散熱控制。

為了驗(yàn)證紊流發(fā)生器對大功率電力電子裝置散熱控制的影響，在發(fā)熱功率、散熱控制器和風(fēng)機(jī)等相同條件下，分別采用大功率電力電子裝置自適應(yīng)散熱控制系統(tǒng)和當(dāng)前方法進(jìn)行測試。在本次實(shí)驗(yàn)中，大功率電力電子裝置的發(fā)熱元由MDSFET和IRFP460兩個功率管并聯(lián)組成，大功率電力電子裝置的風(fēng)機(jī)為直流驅(qū)動的抽流風(fēng)機(jī)，直徑110 mm，風(fēng)量24 m3/min，大功率電力電子裝置散熱控制器的質(zhì)量為290 g，有效面積為730 cm2。為方便本次實(shí)驗(yàn)測試，將大功率電力電子散熱控制器的臺面作為其散熱控制器的翼面，并將16片擾流片粘到大功率電力電子裝置散熱控制器的臺面。大功率電力電子裝置發(fā)熱元件有直流穩(wěn)定的電源提供，其電流為4 A，電壓為10 V，通過直流穩(wěn)壓電源為柵極驅(qū)動提供10 V電壓。

采用紅外非接觸式溫度儀對大功率電力電子裝置的溫度進(jìn)行測量，紅外非接觸式溫度儀的精度為015 ℃，大功率電力電子裝置散熱控制臺上與發(fā)熱元最近的位置為本次實(shí)驗(yàn)選取的測溫點(diǎn)，當(dāng)大功率電力電子裝置散熱控制系統(tǒng)穩(wěn)定時，記錄大功率電力電子裝置臺面的溫度。兩種不同方法的散熱控制方案如圖8所示。

由圖8a可以看出，本文方法將擾流片放置在大功率電力電子裝置散熱控制臺的空氣流入端，使空氣進(jìn)入大功率電力電子裝置散熱控制器時通過擾流片，擾流片對空氣進(jìn)行作用產(chǎn)生紊流，使紊流通過大功率電力電子裝置的散熱控制器，此時大功率電力電子裝置散熱控制板由紅外非接觸式溫度儀測得的溫度為223 ℃;由圖8b可以看出，當(dāng)前方法將擾流片放置在大功率電力電子裝置散熱控制臺的空氣流出端，導(dǎo)致空氣通過擾流片產(chǎn)生的紊流直接流出大功率電力電子裝置的散熱控制器，對散熱控制器沒起作用，此時大功率電力電子裝置散熱控制板由紅外非接觸式溫度儀測得的溫度為259 ℃。通過對比本文方法和當(dāng)前方法可知，大功率電力電子裝置自適應(yīng)散熱控制系統(tǒng)可有效進(jìn)行散熱控制。

4?結(jié)束語

本文主要對大功率電力電子裝置的散熱控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，該設(shè)計可以降低電力電子裝置中的器件因溫度過高而受到的損耗。當(dāng)前的電力電子裝置散熱控制系統(tǒng)對大功率電力電子裝置進(jìn)行散熱控制時，因電力電子裝置的風(fēng)機(jī)選擇不準(zhǔn)確、風(fēng)道設(shè)計不合理和擾流片安裝不合理等問題，導(dǎo)致對電力電子裝置進(jìn)行散熱控制時，散熱控制效果不佳。本系統(tǒng)通過準(zhǔn)確選擇風(fēng)機(jī)、設(shè)計風(fēng)道和合理的安裝擾流片，解決了當(dāng)前電力電子裝置散熱控制系統(tǒng)存在的問題，并進(jìn)行了優(yōu)化和提升。通過實(shí)驗(yàn)證明，大功率電力電子裝置自適應(yīng)散熱控制系統(tǒng)可以有效的對大功率電力電子裝置進(jìn)行散熱控制，為大功率電力電子裝置的安全提供保障。該研究為大功率電力電子裝置自適應(yīng)散熱控制系統(tǒng)提供了理論依據(jù)。在接下來的工作以電力電子裝置的全能性為目的進(jìn)行研究，以進(jìn)一步優(yōu)化散熱控制系統(tǒng)的工作性能。

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Design of Adaptive Heat Dissipation Control System for High Power Power Electronic Device

XU Tao， RUAN Chengzhi

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Wuyi University， Wuyishan 354300， China）

Abstract： ?Aiming at the problems of inaccurate fan selection， unreasonable duct design and spoiler installation in the heat dissipation control system of highpower power electronic device， an adaptive heat dissipation control system of highpower electronic device is designed. The control mode of air cooling and heat dissipation is adopted to control the heat dissipation of the highpower power electronic device， and the fan is selected according to the thermal path and thermal resistance of the power electronic device. At the same time， by analyzing the heat transfer of power electronic device， the air duct and spoiler are designed and installed reasonably. In order to verify whether the system meets the heat dissipation control requirements of highpower power electronic device， experiments are carried out on the Modelsim platform. The experimental results show that under the same measuring point radius， when the fan voltage of highpower power electronic device is 280 V and 360 V， respectively， the speed of the method in this paper is higher than the current method; under the same conditions of the heating power and heat dissipation controller of the power electronic device， the smaller the thermal resistance of the power electronic device， the better the heat dissipation control effect; under the same conditions of the heating power， heat dissipation controller and fan， the system effectively controls the heat dissipation system of the highpower power electronic device. It shows that this method can effectively control the heat dissipation of highpower power electronic devices， and this research provides a guarantee for the safety of highpower power electronic devices.

Key words： high power; power electronic devices; heat dissipation control system; heating power; cooling controller