大功率电力电子装置自适应散热控制系统设计

徐涛 阮承治

摘要：针对大功率电力电子装置散热控制系统存在的风机选择不准确，风道设计和扰流片安装不合理的问题，本文设计了一种大功率电力电子装置自适应散热控制系统。采用风冷散热控制方式对大功率电力电子装置进行散热控制，并根据电力电子装置中的热路和热阻选择风机。同时，通过分析电力电子装置的热传递，对风道和扰流片进行合理设计和安装，为验证该系统是否满足大功率电力电子装置的散热控制要求，在Modelsim平台上进行实验验证。实验结果表明，在测点半径相同的情况下，当大功率电力电子装置风机电压分别为280 V和360 V时，本文方法在速度上均高于当前方法;在电力电子装置发热功率和散热控制器相同的条件下，电力电子装置的热阻越小，散热控制效果越好;在发热功率、散热控制器和风机等相同条件下，该系统对大功率电力电子装置的散热系统进行有效控制。该研究为大功率电力电子装置的安全运行提供了保障。

关键词：大功率; 电力电子装置; 散热控制系统; 发热功率; 散热控制器

中图分类号： TM46; TP273.+2  文献标识码： A

收稿日期： 20191224; 修回日期： 20200423

基金项目：福建省自然科学基金面上资助项目（2018J01471）;福建省高校杰出青年科研人才计划（闽教科（2018）47）

作者简介：徐涛（1984），男，山东烟台人，硕士，讲师，主要研究方向为电子通信与自动控制技术。

通信作者：阮承治（1984），男，安徽安庆人，博士，副教授，主要研究方向为自动控制和智能控制。Email： xutao546857@163.com

随着新能源光伏、风力和电力等产业的迅速发展，光伏发电机组和风电机组开始逐渐向大功率化方向发展[1]。光伏发电机组和风电机组的大型化发展，使电力电子装置广泛应用在大功率工业领域中[2]。由于电力电子装置的开发具有低成本和易于维护的特点，而绝缘栅型双极晶体管是大功率电力电子装置中较为重要的器件，带动了绝缘栅型双极晶体管的快速发展，提高了电力电子装置的开关频率和容量，因此对电力电子装置研究具有重要意义。近年来，相关学者也对电力电子装置进行大量的研究，H.Zenk[3]研究电力电子装置开关电气性能控制系统，提出一种有效的开关选择算法，并将其应用于电力电子开关效率的电路估计。同时对电路中使用的电力电子开关的电流电压功率容量、开关速率、功率损耗、物理尺寸、加热水平等进行了研究，并根据实验结果进行了算法估计;王胜斌[4]对电力电子装置在电力系统中的应用进行研究。电力电子装置在微电网的应用主要包括监控保护装置、蓄能装置、分布式电源和功率转换器，应用这些保护装置可以提高微电网通信监控的及时性，防止由于负荷过重而造成系统瘫痪。虽然上述研究取得了一定进展，但目前电力电子装置散热控制系统存在散热控制效果差的问题，导致电力电子装置中开关的损耗也逐渐加大。为解决上述问题，本文提出一种大功率电力电子装置自适应散热控制系统设计方法并在Modelsim平台进行实验验证。实验结果表明，本文设计的大功率电力电子装置自适应散热控制系统，散热效果好。该研究为实际的电力电子装置自适应散热控制系统的应用提供一定的参考。

1 散热控制方案

为了限制大功率电力电子装置的结温，在实际应用中，可采取减少大功率电力电子装置外热阻方面的措施[56]，最大程度的减少散热控制器热阻和接触热阻，使大功率电力电子进行散热控制[79]。大功率电力电子装置的散热控制器与器件之间的装配质量是决定其正常运行的基础[10]。大功率电力电子装置中的器件需要与安装台面具有适当的接触面积，形成良好的导热面和导电面，根据大功率电力电子装置品种、容量、外形条件的不同，散热控制系统的设计也不相同。

1.1 接触热阻

1.1.1 器件封装形式与接触热阻的关系

大功率电力电子装置的封装形式不同，装置的接触热阻也不相同。大功率电力电子装置的接触热阻还与散热控制器和电力电子装置器件间是否存在硅油和垫圈等有关[1112]。散热控制器与大功率电力电子装置的接触表面要保持平整，避免大功率电力电子装置的外壳受到大气的侵蚀，在其器件表面进行镀金银等措施。

1.1.2 安装力与电力电子装置接触热阻的关系

根据大功率电力电子装置容量的不同，其器件分为平板型器件和螺栓型器件[1314]。为了减少热阻，平均额定电流较大的电力电子装置多选用双面冷却平板型结构。在大功率电力电子装置器件中，平板型器件的压紧力较好，而螺栓型器件的锁紧力矩较好[1516]。

1.2 散热控制器热阻

散热控制器将热能传递到环境中的方式有辐射和对流两种，散热控制器热阻是从环境介质到电力电子装置散热控制器的热阻，而散热控制器热阻与散热控制器的环境冷却方式、质地、安装位置、结构和表面颜色等因素有关。散热控制器的质地有两种，分別为铝质和铜质[1718]。铝质散热控制器表面可进行阳极氧化或涂漆;铜质散热控制器表面需要钝化、涂漆或电镀[1920]。通常情况下，电力电子装置的散热控制器表面阳极化处理的散热控制效果比表面涂黑的散热控制效果差，对于大功率电力电子装置的散热控制器，其长度的增加，会减小热阻，当大功率电力电子装置的散热控制器长度增长到一定程度时，此时大功率电力电子装置的热阻下降幅度较小。

1.3 散热控制方式

大功率电力电子装置散热控制器中常用的冷却方式为沸腾冷却、自冷、液冷和风冷4种，本文采用风冷散热控制方式对大功率电力电子装置的散热控制系统进行设计。

2 总体结构设计

由于大功率电力电子装置的尺寸受限制，因此提高大功率电力电子装置散热控制效果的最佳方法是合理引入紊流，大功率电力电子装置自适应散热控制系统如图1所示。

对大功率电力电子装置自适应散热控制系统变压器电路结构进行设计，采用中性点箝位三电平SPWM逆变桥和24脉波不控整流桥，并采用风冷散热控制。

2.1 热路和热阻

当大功率电力电子装置中的热阻和热路之间存在温度差时，其热能会从高温点传送到低温点。在大功率电力电子装置中，半导体芯片内部是主要发热部分，其热量通过散热控制器、芯片外壳传送到环境介质中。当大功率电力电子装置中的温度为稳定状态时，其芯片每秒发散的热量与每秒消耗功率产生的热量相等，结温保持稳定，不再升高。大功率电力电子装置器件等效热回路可根据热量传导过程绘出。

大功率电力电子装置的热回路图与电路图类似，采用电学模拟方法描述大功率电力电子装置中的热量传输，将大功率电力电子装置中的温差比作电压，单位时间内大功率电力电子装置的功耗比作电流，将热阻看做电阻。通常情况下，大功率电力电子装置散热控制时，总热阻由散热控制器到环境介质的散热控制器热阻、大功率电力电子装置外壳到散热控制器接触热阻、芯片到大功率电力电子装置外壳热阻构成。大功率电力电子装置的散热控制是由高温区传递到低温区，即环境温度<大功率电力电子装置散热控制器温度<大功率电力电子装置外壳温度<结温。大功率电力电子装置散热控制示意图如图2所示。热阻代表介质传热能力，其物理意义是单位时间内大功率电力电子装置功耗所引起的温升，散热控制回路图如图3所示。

图3中，Tj表示电力电子装置绝缘栅型双极晶体管管芯的结温，Tc表示电力电子装置绝缘栅型双极晶体管管壳的温度，Rjc表示电力电子装置绝缘栅型双极晶体管结壳间的热阻，其值的大小与电力电子装置的封装结构和管芯尺寸有关，Rcs表示电力电子装置散热控制器表面与绝缘栅型双极晶体管外壳之间的热阻，与电力电子装置器件的封装和安装技术有关，Rsa表示周围空气与散热控制器间的热阻，与空气接触面积、散热控制材质有关。

2.2 电力电子装置热传递

当大功率电力电子装置进行对流换热时，其周围空气沿着大功率电力电子装置的散热控制器表面进行流动。因为空气具有流体粘性，热边界层会产生在临近大功率电力电子装置散热控制器表面的区域，且随着大功率电力电子装置周围空气的流动而扩散，空气流和紊流的发展过程如图4所示。

由图4a可以看出，当大功率电力电子装置周围的空气到达x=0+截面时，由于空气的粘性作用，使电力电子装置周围的空气在y=0时处于静置状态，此时大功率电力电子装置周围空气的流速减小，并通过y方向逐渐传播，且电力电子装置周围的流体向x方向移动，导致大功率电力电子装置热边界层的厚度γ增加。大功率电力电子装置的热边界层越薄，热阻越小，电力电子装置的散热控制效果越好。由图4b可以看出，在流体力学原理的基础上，对大功率电力电子装置周围空气基于散热控制器表面的流动方向进行改变，在大功率电力电子装置的流场内加入紊流，减小大功率电力电子装置热边界层的厚度γ。由上述散热控制理论可知，降低大功率电力电子装置的热阻，提高其散热控制效果的方法是准确选用风机，合理设计风道。

2.3 风道设计和风机选型

在设计风道和选择风机时，首先应对大功率电力电子装置中每个柜体的总热量进行计算，计算时需要考虑吸收回路的损耗和回路母线的发热。大功率电力电子装置自适应散热控制系统中风机风量为

P=10-3Q/ρc（T0-TA）（1）

式中，Q表示大功率电力电子装置柜内的总发热量;ρ表示空气密度;c表示空气中的比热容;TA为大功率电力电子装置周围的环境温度;T0表示大功率电力电子装置排气口中的空气温度。

由式（1）計算大功率电力电子装置需要的风机风量，并通过散热控制器热阻，确定大功率电力电子装置的风机风压。设置大功率电力电子装置中高压变频器的进风方式和风道，高压变频器进风方式和风道如图5所示。

将组件安装在大功率电力电子装置的前部，其后部为独立的密封风腔，在大功率电力电子装置中，组件的散热控制器通过引风罩与风腔连接，外部气流通过其顶部抽风机进入其内部，外部气流通过散热控制器完成热交换后引入到装置的风腔中，最后通过装置的排风口排出。因为大功率电力电子装置中的组件散热控制器与风腔通过独立的风罩密封连接，使气流通过大功率电力电子装置的齿间间隙，保证了散热控制器与气流的热交换面积，提高了气流的利用率。滤网设置在大功率电力电子装置的入风口中，保证气流的洁净。

3 测试与实验验证

为验证大功率电力电子装置自适应散热控制系统选择的风机与设计的风道是否满足大功率电力电子装置的散热控制要求，在Modelsim平台上进行实验验证。对大功率电力电子装置柜体布局的空气流量进行测量，在大功率电力电子装置中设置9个测试点，测试点中的半径分别为0，24，49，74，109，130，151，172，194 mm，对测试点进行布置，测试点布置如图6所示。

采用本文方法和当前电力电子装置散热控制系统进行测试，当大功率电力电子装置风机电压分别为280 V和360 V时，两种不同方法的测试结果如表1所示。

由表1可以看出，在测点半径相同的情况下，当大功率电力电子装置风机电压分别为280 V和360 V时，本文方法在速度上均高于当前方法，验证了本研究可以满足大功率电力电子的散热控制需求。

为研究在大功率电力电子装置条件下，风道对大功率电力电子装置散热控制的影响，本文在电力电子装置发热功率和散热控制器相同的条件下进行实验。实验中，采用大功率电阻固定在电力电子装置的散热控制器上，对电压进行调节，可准确设定大功率电阻的发热功率，而电力电子装置中散热控制器的温度通过电子点温计进行测量，电子点温计的精度为015 ℃，选取靠近发热元件的位置作为电力电子装置的测温点，采

用水银温度计对实验过程中电力电子装置周围的环境温度进行测量，实验过程所需要的时间约为30 min，每隔10 min对电力电子装置周围的环境温度和散热控制器的温度进行记录，判断电力电子装置散热控制系统是否达到稳定状态，通过测量电力电子装置周围环境的温度和散热控制器的温度，确定电力电子装置中散热控制器周围环境的热阻，并分别采用大功率电力电子装置自适应散热控制系统和当前3种不同的电力电子装置散热控制系统对其进行散热控制操作，4种不同方法的测试结果如图7所示。电力电子装置中的热阻越小，电力电子装置的散热控制效果越好;电力电子装置中的热阻越大，电力电子装置的散热控制效果越差。

由图7可以看出，本文方法的热阻小于当前3种不同的方法，在当前方法a和c中，气流与电力电子装置中散热控制器处于平行状态，层流是该方法中的主要流场，导致电力电子装置的散热控制效果较差;使用当前方法b对电力电子装置进行散热控制时，电力电子装置周围的空气流速较快，但该方法没有将电力电子装置周围的空气引导冲向散热控制器，在电力电子装置散热控制器的表面未形成紊流，导致散热控制效果不佳。电力电子装置的热阻越小，其散热控制效果越好，说明大功率电力电子装置自适应散热控制系统可以有效的进行散热控制。

为了验证紊流发生器对大功率电力电子装置散热控制的影响，在发热功率、散热控制器和风机等相同条件下，分别采用大功率电力电子装置自适应散热控制系统和当前方法进行测试。在本次实验中，大功率电力电子装置的发热元由MDSFET和IRFP460两个功率管并联组成，大功率电力电子装置的风机为直流驱动的抽流风机，直径110 mm，风量24 m3/min，大功率电力电子装置散热控制器的质量为290 g，有效面積为730 cm2。为方便本次实验测试，将大功率电力电子散热控制器的台面作为其散热控制器的翼面，并将16片扰流片粘到大功率电力电子装置散热控制器的台面。大功率电力电子装置发热元件有直流稳定的电源提供，其电流为4 A，电压为10 V，通过直流稳压电源为栅极驱动提供10 V电压。

采用红外非接触式温度仪对大功率电力电子装置的温度进行测量，红外非接触式温度仪的精度为015 ℃，大功率电力电子装置散热控制台上与发热元最近的位置为本次实验选取的测温点，当大功率电力电子装置散热控制系统稳定时，记录大功率电力电子装置台面的温度。两种不同方法的散热控制方案如图8所示。

由图8a可以看出，本文方法将扰流片放置在大功率电力电子装置散热控制台的空气流入端，使空气进入大功率电力电子装置散热控制器时通过扰流片，扰流片对空气进行作用产生紊流，使紊流通过大功率电力电子装置的散热控制器，此时大功率电力电子装置散热控制板由红外非接触式温度仪测得的温度为223 ℃;由图8b可以看出，当前方法将扰流片放置在大功率电力电子装置散热控制台的空气流出端，导致空气通过扰流片产生的紊流直接流出大功率电力电子装置的散热控制器，对散热控制器没起作用，此时大功率电力电子装置散热控制板由红外非接触式温度仪测得的温度为259 ℃。通过对比本文方法和当前方法可知，大功率电力电子装置自适应散热控制系统可有效进行散热控制。

4 结束语

本文主要对大功率电力电子装置的散热控制系统进行设计，该设计可以降低电力电子装置中的器件因温度过高而受到的损耗。当前的电力电子装置散热控制系统对大功率电力电子装置进行散热控制时，因电力电子装置的风机选择不准确、风道设计不合理和扰流片安装不合理等问题，导致对电力电子装置进行散热控制时，散热控制效果不佳。本系统通过准确选择风机、设计风道和合理的安装扰流片，解决了当前电力电子装置散热控制系统存在的问题，并进行了优化和提升。通过实验证明，大功率电力电子装置自适应散热控制系统可以有效的对大功率电力电子装置进行散热控制，为大功率电力电子装置的安全提供保障。该研究为大功率电力电子装置自适应散热控制系统提供了理论依据。在接下来的工作以电力电子装置的全能性为目的进行研究，以进一步优化散热控制系统的工作性能。

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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