储能变流器产品散热结构设计

常州博瑞电力自动化设备有限公司 刘博嘉 周力民 张 超

南京南瑞继保电气有限公司 米高祥 丁 勇 刘为群

随着产品的集成化、复杂性提高，产品的发热也随之上升。本文为满足储能变流器的散热要求，完成包含散热器、功率器件、风机及风道的散热结构设计。调整风机相对于功率模块进风口的距离，进行5组散热仿真，通过仿真模拟出风口风速、散热器温升数据，综合散热器的温升以及结构布置的合理化，得出最优散热布置方案，验证了基于热分析软件的热设计优势，为产品的热设计提供了可靠的依据。

随着电力电子技术的高速发展，其功耗引起热流密度升高，电子设备所处的工作环境的影响因素主要包括：温度、沙尘、降水等，为保证电力电子设备在各类的环境下可以可靠、充分的发挥其性能，需要对环境做适应性设计。功率器件则是主要产生发热量的源头，功率器件是多数电子设备中的关键器件，其工作状态的好坏直接影响整机的可靠性。所以高功率器件的散热是整个电子设备散热的关键。强迫风冷在需要散热的电子设备冷却系统中被广泛应用，同时也是高功率器件采取的主要冷却形式。

本文针对整个功率模块进行散热结构设计，模拟内部温度分布及风速情况，指导结构设计，可以节约设计时间，降低生产成本。

储能变流器功率模块中主要功率器件为IGBT，功率器件应用时温度升高，需依靠散热器来进行散热，保证其安全正常工作。

散热器的散热性能与其和空气的接触面积有关，影响接触面积的因素主要包括翅片高度、厚度、宽度等参数。本次设计通过使用风机配合散热器进行功率模块散热，通过调整风机与功率模块散热器之间的距离来满足散热需求。利用三维建模软件进行建模，通过仿真软件进行散热模拟，通过分析对比不同工况下的仿真结果，从而选择散热效果最优的结构。

1 结构方案设计

1.1 器件选型

储能变流器作为储能装置和电网的柔性接口，实现与电池管理系统的实时通讯，采用高可靠性智能化功率模块开发，通过充、放电一体化的设计，实现交流系统和直流系统的能量双向流动。

图1 散热器

图2 风机结构

储能变流器功率模块及散热结构主要包括功率器件、散热器，风机以及风道结构。本次设计选用挤压型材散热器如图1所示，挤压型散热器由翅片和基板组成，翅片与基板位于一体。散热器基板远离翅片侧附有热管，热管位置根据压装功率器件位置确定。风机底进风，侧出风，如图2所示。

1.2 散热结构设计

本文只针对成套散热结构进行建模，调整风机相对于功率模块进风口的距离，通过仿真模拟出风口风速、散热器温升数据，综合散热器的温升以及结构布置的合理化，得出最优散热布置方案。成套散热结构采用底进风、上出风的方式。风机置于功率模块底部，四周用钣金围成密闭风腔，三个功率模块散热器底部与风腔接触面开有对应方形进风口，每个功率模块散热器顶部开有方形出风口。空气经风机底部导风圈吸入，经风机四周叶片甩出到风腔内，然后通过风腔挤压由顶部功率模块进风口处流入功率模块散热器，最后通过顶部功率模块出风口排出，形成风道回路，如图3所示。

图3 功率模块及散热结构

图4 仿真结构模型

2 热设计

热量主要通过热传导、热对流、热辐射三种方式传递。

对流散热分为自然对流与强迫对流两种方式。自然对流散热方式，功率模块布局应考虑风路设计要求，对于直齿型散热器，应保证散热器齿槽垂直于水平面。尽可能增加进出口高度差，避免气流短路。强迫对流散热方式，元器件应均匀布置，使风均匀流过每一个发热源；如果发热不均，发热量大的元器件稀疏排列，发热量小的布局紧凑，或增加导流装置，将风有效导入至关键发热元器件中；风道界面尺寸尽可能与风扇出口保持一致，采用直风道，减小局部阻力，避免增加沿程阻力损失。

电子设备主要的失效形式是热失效。所以，对电子设备进行热设计以及热分析，早已引起了国内外研究的重视。在产品的设计阶段对其进行热仿真可以有效的模拟实际的工况，通过对于仿真模型的修改，快速的进行工况切换对比。

本次设计采用强迫风冷进行储能变流器功率模块散热，通过风机使结构内部空气进行流动，冷流体与电子设备内的器件进行热量交换，从而对整个功率模块进行冷却。

3 仿真分析

3.1 仿真模型建立

本文根据散热器、风机、功率器件实际规格以及三维建模布局完成仿真模型建立，仿真结构模型如图4。其中，风机位于整个散热结构的底部，由底部进风，通过风腔与顶部散热模块的进风口流经散热器，从而对功率器件进行散热。

实际由于功率模块及其散热结构在柜内结构布局的条件影响，本次仿真以风机与功率器件进风口的距离为变量，模拟工况下功率模块的出风口风速及散热器的温升情况。

3.2 仿真参数与工况

由于功率模块的散热性能会受到与风机之间的相对距离影响，本次仿真模拟五种不同距离工况下功率模块的出风口风速及散热器的温升情况。仿真参数如表1所示，仿真变量如表2所示。

表1 仿真参数设置

表2 仿真工况

3.3 仿真结果分析

五种不同的工况仿真结果数据如表3所示。风机与功率器件进风口的距离200mm、300mm的仿真结果如图5、图6所示。

表3 不同工况下的功率模块出风流速与散热器温升

风机与功率模块进风口间距200mm时，AC相模组出风口最大风速达到11.96m/s，B相模组出风口最大风速达到8.58m/s，风速最大值集中在出风口边界处；模组散热器温度为71.98℃，温升为31.98℃。

风机与模组进风口间距为300mm时，AC相模组出风口最大风速达到12.30m/s，B相模组出风口最大风速达到9.38m/s，风速最大值集中在出风口边界处；模组散热器温度为69.6℃，温升为29.6℃。散热器温升最高出集中在B相（中间）顶部处。

图5 风机与功率模块进风口间距200mm仿真结果

图6 风机与功率模块进风口间距300mm仿真结果

图7 风机与功率模块不同间距下的散热器温度对比

由于风机通过转轴联动扇叶进行出风，通过上图5、图6可以看出内部流场示意，散热器温升最高出集中在B相（中间）顶部处。风机在工作条件下，通过扇叶向四周出风，通过风机罩壳壁面改变风向，因此经过A/C相散热器风量较多，B相散热器风量较少。其次，距离功率器件进风口最远位置的功率器件散热效果较差，因此B相散热器顶部位置功率器件温升最高。

通过模拟五种不同距离的工况，可以看出，风机在与功率模块进风口间距达到400mm时，A/C相出口最大流速达到12.57m/s，B相出口最大流速达到10.9m/s，散热器最高温度达到68.1℃，环境温度为40℃，散热器最大温升达到28.1℃。A/C相与B相出口风速差值为1.67m/s，温升最高点集中在B相散热器顶部功率器件布置处。

结论：通过对比五种工况仿真结果表明，在其他条件一定的情况下，风机与功率模块进风口的距离会直接影响到功率器件的散热效果，由于风机布置在进风口底部，通过扇叶向四周出风，通过风机罩壳壁面改变风向导致功率模块的三相散热存在不均匀的现象，随着风机与功率模块进风口的距离不断增加，功率模块的散热效果存在改善，在风机与功率模块进风口的距离间距达到400mm时，散热效果达到最优，综合考量散热结构的尺寸以及散热效果，最终采用功率模块进风口与风机间距400mm方案进行设计。