高压变频器功率模块相变散热研究

石华林， 熊 斌， 刘作坤， 贾媛媛， 顾国彪

(1. 中国科学院电工研究所， 北京 100190； 2. 中国科学院大学， 北京 100049；3. 北京首钢国际工程技术有限公司， 北京 100043；4. 山西辰诚建设工程有限公司， 山西 阳泉 045000)

1 引言

随着高压动力设备容量等级的大幅提升和节能降耗要求的不断提高，高压变频器在行业中的应用越来越广泛。变频器的核心部件是电力电子功率器件，而电力电子器件的散热是制约其性能和可靠性的关键因素。目前主要应用的散热方式包括自然空冷、强迫空冷、水冷、相变冷却等。

自然空冷通过空气受热膨胀引起密度变化而形成的浮升力进行散热，结构设计简便，无需辅助设备，但效率较低。强迫空冷效率相比自然空冷要高，但风扇等运转设备带来噪声和运维问题，适于中小功率设备，对于大功率设备往往需要配备体积巨大的散热器，对煤矿井下等散热环境条件相对恶劣以及大功率要求的应用场合，这类散热方式越来越难以满足要求。对于大功率设备，目前多采用水冷方式，水冷(包括配一定比例乙二醇等)散热效率高，但维持水冷需要循环泵、去离子水处理和补水装置等多个系统组成，系统工艺复杂，需要定期维护，循环系统工作压力高，容易发生泄露，一旦泄露，作为冷却工质的水不具备绝缘性，会带来严重安全隐患[1-3]。传统水冷板一般内部布置有串联的流动通道，流动通道处和通道间会形成温差，导致冷板表面的温度均匀性不佳，功率器件冷却温度的不均匀会在器件内部产生热应力，影响器件运行的稳定性和可靠性。

相变冷却是利用冷却介质发生相变吸收潜热的原理来冷却的一种散热方式，由于相变过程会吸收大量的热量，因此相变冷却方式效率极高。电力电子器件的相变冷却国内外学者做了大量研究。周建辉等针对换流阀，通过建立均相流模型研究两相流动过程，搭建了自然循环沸腾冷却系统实验平台验证了自然循环沸腾冷却系统的可实施性[4]。宁珍等针对高速列车牵引变流器，对装有相变冷却剂的圆管散热器验证了加热功率和不同风速对换热性能的影响[5]。Ren Hai等提出将相变材料封装到IGBT中，在短时过流的情况下相变材料能起到热缓冲作用而抑制结温[6]。黄伟等针对5 英寸晶闸管集成的直流换流阀模块，提出采用包含贴壁式蒸发器、集气管、回液管和冷凝器的蒸发冷却系统对其进行冷却，通过仿真和实验验证了蒸发冷却技术应用于直流换流站的可行性[7]。温英科等针对开关电源应用全浸式蒸发冷却技术通过仿真及实验测试的方法验证了该方法的可行性和技术优势[8]。曹瑞等针对环网控制换流阀，提出贴壁式自循环蒸发冷却液盒冷却方案，通过实验和仿真验证了该技术方案具有换热效率高、温度分布均匀的优势[9]。

相变冷却最具代表性的是蒸发冷却技术，该技术利用高绝缘、低沸点的有机工质，通过相变换热的方式，实现对发热部件的高效冷却。相比水冷技术，其冷却系统工作压力低，不需要循环泵等动力设备，能实现自循环，已成功应用于大型水轮发电机、汽轮发电机、变压器、超级计算机、高密度磁体等电工装备[1]。

本文针对某大功率高压变频器，结合某工程项目需求，探索和验证蒸发冷却相变散热技术在大功率高压变频器领域的应用前景。研究以单元串联多电平结构的高压变频器功率单元为例，制定自循环蒸发冷却相变冷板散热方案，采用仿真、热电阻模拟负载及真机功率模块负载试验相结合的方式进行研究及验证。

2 某高压变频器参数及特点

某高压变频器结构布置示意图和功率单元原理图分别如图1和图2所示。

图1 高压变频柜结构布置示意图

图2 高压变频器功率单元原理图

图2为高压变频器功率单元电路原理图，该功率单元由两个IGBT逆变模块和三个二极管整流模块组成，模块参数如表1所示。

表1 变频器功率模块参数

高压变频器运行过程的发热源包括移相变压器、电容、功率器件等，其中功率器件IGBT逆变模块和二极管整流模块是最主要发热源。IGBT逆变模块热损耗主要由IGBT的通态损耗、开关损耗以及续流二极管的正向导通损耗和开关损耗组成。计算公式如下：

PT=VCEIsD

(1)

式中，PT为IGBT通态损耗；VCE为饱和压降，可由手册查询；Is为集电极电流；D为平均占空比。

(2)

式中，Psw为IGBT开关损耗；fsw为IGBT开关频率；Eon为IGBT单脉冲开通损耗；Eoff为IGBT单脉冲关断损耗；In为IGBT额定电流。

PDiode-t=VFIF(1-D)

(3)

式中，PDiode-t为续流二极管正向导通损耗；VF为续流二极管导通压降，可由手册查询；IF为续流二极管实际工作电流。

(4)

式中，PDiode-sw为续流二极管开关损耗；Erec为续流热损耗；In-d为续流二极管额定电流。

二极管整流模块的热损耗主要由导通损耗和开关损耗组成。根据计算公式，查询功率模块手册曲线，结合工程要求的额定运行工况可计算得到IGBT逆变模块热损耗为1 028 W，二极管整流模块热损耗为237 W。

先前采用了变频器空冷方案，如图1所示变频柜柜顶安装风机实现强迫风冷。图3为空冷方案变频器功率单元箱，箱内按IGBT逆变模块两层、二极管整流模块一层水平分层排布，各功率模块基板分别固定安装独立的散热翅片，散热翅片规格尺寸根据功率器件说明书及理论计算确定。功率单元箱体尺寸宽×高×深为350 mm×610 mm×700 mm。运行中曾发生因壳温超85 ℃而引起保护动作跳闸的情况，由此可见采用柜顶吸风的空冷方案不能完全保证大功率变频器功率器件的运行稳定性。

图3 空冷方案变频器功率单元

3 蒸发冷却相变冷板方案

变频器功率单元的散热主要围绕两个IGBT模块和三个二极管整流模块这五个发热源进行设计。散热系统需满足IGBT器件的PN结温不高于175 ℃，整流二极管器件的PN结温不高于150 ℃，封装外壳不超过85 ℃限值要求。一方面要提高集成度，在高效散热的同时缩小变频器体积，提高体积功率密度，同时要便于拆装、运维及匹配柜体结构。根据变频柜结构和运行要求，结合自循环蒸发冷却相变散热技术特点，确定采用表贴式蒸发冷却相变冷板散热方案，冷板内部为空腔方盒，将这5 个功率模块壳体表贴式固定在冷板表面，冷板起高效散热和固定的作用，同时保证设计尺寸紧凑。图4所示为设计方案，根据2 个IGBT逆变模块和3 个二极管整流模块基板实际尺寸，按最大集成化进行排布。其中左侧三个小功率模块是二极管整流模块，右侧两个大功率模块是IGBT逆变模块，根据功率器件热损耗值计算初步选择冷板尺寸为410 mm×340 mm×30 mm。图5所示为相变冷板加上电路板、吸收电容、线排等附件后最终成型的功率单元箱设计图，其箱体尺寸宽×高×深仅为185 mm×475 mm×490 mm，相比图3空冷箱体的体积缩小了71%。

图4 相变冷板布置方案

图5 功率单元箱设计图

功率模块的热量由PN结传递到IGBT模块或二极管模块外壳，再由外壳传递到冷板接触表面，冷板表面再将热量传递给冷板内氟碳化合物蒸发冷却工质。工质受热达到饱和温度后开始沸腾，液态工质吸收潜热汽化，气态工质流出冷板通过集气管到达位于高处的冷凝器，冷凝器再通过二次冷却水带走热量，同时气体工质冷凝为液体后通过回液管返回冷板，形成自循环高效相变散热过程。本方案选择沸点为47 ℃的氟碳化合物工质，这样能保证在功率器件运行温度下沸腾，同时能保证温度变化范围在沸点温度附近，能有效防止因负荷变化引起器件温差的扩大。氟碳化合物工质运动粘度小，流动性好，能充分通过冷板壁面与发热功率器件进行换热，还能保持冷却系统内部温度的均匀性，避免局部温度过热。该冷却系统通过氟碳化合物工质在蒸发和冷凝过程形成两相密度差，由此产生压差而驱动冷却回路自循环，无需泵等动力设备，整个系统噪声小，运维便利、成本较低[10]。无泵的优势还在于系统循环流量的均匀性，而水冷方案在应对多支路并联冷却系统时，循环系统会因设备与循环泵距离的远近而产生流量的不平衡，导致与循环泵距离不同的设备冷却散热效果产生差异，远离循环泵的设备会因循环流量不足而散热效果不佳。

4 相变冷板温度场仿真计算

蒸发冷却相变冷板内两相流传热模型的仿真分析控制方程基于连续方程、动量方程、能量方程和相体积率的守恒方程[11]。

(1)连续性方程

(5)

(2)动量方程

(6)

(3)能量方程

(7)

式中，keff=∑ak(kk+kt)；kt是湍流导热系数。

(4)相体积率守恒方程

(8)

式中，x为干度。

仿真模型根据图4建立，为便于网格化处理和仿真计算，对模型进行简化处理，将功率模块简化成对应热功率的面热源，冷板忽略螺纹孔、紧固件、倒角等特征。

边界条件设置如下：蒸发冷却工质入口边界设置为0.25 m/s的速度入口边界，以44 ℃温度的全液态工质进入。出口边界设置为压力出口边界，回液温度为47 ℃。

通过数值仿真，得到冷板表面温度场分布和气相体积分布分别如图6和图7所示。

图6 冷板表面温度分布

图7 冷板气相体积分布

由图6可以看出作为热源的功率模块与冷板接触处温度最高，最高温度为63.88 ℃，远离热源处温度逐渐降低，冷板进液口处温度最低，但冷板表面整体还是保持了温度均匀性。目前广泛采用的水冷板内部一般布置有串联的流动通道，这种结构的一个弊端是冷板表面靠近流动通道的区域与靠近流动通道间的区域存在显著温差，这样就会使功率器件的冷却散热不均匀，从而功率器件产生内部热应力，影响器件使用寿命。而蒸发冷却相变冷板表面均温性的特点则更有利于功率器件的安全稳定运行，提高其可靠性。

根据模块手册PN结到壳，以及壳到热沉的热阻值，根据以下功率器件结温和壳温计算公式：

Tc=Th+PRthCH

(9)

Tj=Tc+PRthJC

(10)

式中，Tc为功率器件壳温；Th为功率器件散热器温度；Tj为功率器件结温；P为功率器件热损耗；RthCH为功率器件壳到散热器热阻；RthJC为功率器件结到壳热阻。

计算得IGBT逆变模块壳温最高为76.53 ℃，结温最高为93.58 ℃，二极管整流模块壳温最高为68.98 ℃，结温最高为88.87 ℃。完全满足变频器功率模块壳温和结温限值要求。

由图7冷板气相体积分布图可以看出蒸发冷却工质受热吸收潜热充分汽化相变，实现高效换热。

5 实验验证

实验验证分两部分，第一部分通过热电阻模拟功率模块验证冷板的散热效果及均温性；第二部分对相变冷板功率单元箱施加额定负荷进行散热效果实验验证，同时与热电阻冷板单元进行散热效果对比，验证功率模块热损耗计算的准确性、用热电阻代替实际功率模块的精确度，从而为后续用热电阻模拟功率模块不同工况的实验研究提供依据。

5.1 热电阻模拟功率模块冷板实验

根据图4相变冷板方案，按功率模块实际尺寸和热损耗分别制作热电阻模拟功率模块模型，并制作铝合金冷板，冷板和热电阻模拟功率模块如图8所示。

图8 冷板和热电阻模拟功率模块

实验将通过热电阻模拟实际功率模块的热损耗，热电阻产生的热量通过外壳传递到冷板接触表面，冷板表面再将热量传递给冷板内蒸发冷却工质，工质受热汽化由于两相工质密度差产生动压头，从而使气态工质流出冷板经集气管将热量带到冷凝器，冷凝器采用二次水冷却以提高换热性能，工质经冷凝器释放潜热冷凝成液体后经回液管返回冷板，形成一个自循环冷却散热过程。图9、图10分别为实验系统图和实验装置图。

图9 热电阻冷板散热实验系统图

图10 热电阻冷板散热实验装置图

调整调压器使热电阻获得功率模块相应额定热功率，对热电阻壳体和与冷板的直接接触面的温度测点进行实时监控，当数据采集仪温度指示稳定20 min内波动不超过1 ℃，即认定达到稳态，记录数据见表2。

表2 热电阻冷板散热实验数据

由表2可以看出热电阻模拟IGBT模块壳体最高温度为70.3 ℃，由模块手册结对壳的热阻值可推得结温最高为87.35 ℃。二极管模块壳体最高温度为66.8 ℃，由模块手册结对壳的热阻值可推得结温最高为86.69 ℃，散热效果良好，完全满足变频器功率模块壳温和结温限值要求。同时可以看到热电阻模块与冷板的接触面最高温度和最低温度相差不超过2.8 ℃，说明冷板的散热均温性非常理想。

5.2 相变冷板功率单元实验

图11和图12分别为相变冷板功率单元的实验系统图和装置图。其中图11中最底层布置的是功率单元箱和电容箱，功率单元箱按图5设计制作，包含两个真机IGBT功率模块、三个二极管整流模块及吸收电容和电路板，功率单元箱和三个电容箱并排布置也未占满一层空间。

图11 相变冷板单元实验系统图

图12 相变冷板单元实验装置

首先对第二层冷板单元的两个热电阻模块分别施加1 100 W热负荷，同时对第三层变频器功率模块单元两个IGBT逆变模块施加600 A额定负荷(产生等效热负荷)。热电阻模块分别在靠近进出口和壳体与冷板接触面中部设置3个K型热电偶测温点(见图13)，变频器IGBT模块自带有四个数控测温点，两个靠近进出口，两个在模块与冷板接触面中部。实验过程中，观察冷凝器压力表超过0.025 Mpa时排气，低于0.005 Mpa时停止排气，冷凝器采用自来水二次冷却。待负荷稳定后，各温度监测点示数如图14所示。

图13 热电阻温度测点分布

图14 热电阻与IGBT模块温度对比

图14热电阻冷板和变频器IGBT模块冷板散热对比实验结果显示，各项测温数值接近，证明IGBT热损耗计算准确，用热电阻模拟IGBT等功率模块能满足精确度要求。由实验结果还可以看出在自循环蒸发冷却系统下，IGBT的温度控制在66.13 ℃以下，冷却效果极佳，验证了蒸发冷却系统高效的散热性能。当然，本次验证实验只进行了IGBT模块的比对，不包括三个二极管整流模块，因此现场实验温度数值要比实验室测得的温度数值低。

从起始加负荷直至达到温度额定负荷过程中，第三层变频单元两个IGBT模块自带的两个数控测温点温差基本控制在1 K左右，分别在进出口布置的两个K型热电阻测温点温差也基本控制在3 K以内，热电阻模拟IGBT模块的测点温度和变频单元IGBT的测点温度大概一致，由此验证了蒸发冷却系统下冷板散热的均匀性。

6 结论

针对某大功率高压变频器功率器件设计的蒸发冷却相变冷板散热系统，通过计算功率模块的热损耗，用数值仿真手段分析验证了冷板结构和功率模块布置方案，再经过热电阻模拟功率模块热负荷进行了冷板散热实验验证。实验结果显示能将功率器件的壳温控制在66.13 ℃以下这一理想的温度水平，证明了蒸发冷却相变冷板散热的高效性。通过热电阻冷板与变频器IGBT模块冷板散热比对，验证了功率模块热损耗计算的准确性以及用热电阻模拟IGBT等功率模块的精确性，同时验证了相变冷板的均温性。与空冷散热方案相比，不仅功率器件的运行安全性提升，而且功率单元箱的体积缩小了71%，体积功率密度提高了2.45倍，实现了功率模块的高度集成化。与水冷板散热相比，均温性更好，所用冷却工质为氟碳化合物不燃液，安全环保，无泵实现冷却系统自循环，低噪声，不需要复杂的水处理及循环水系统，更便于运维，且流量均匀性更好，更利于功率器件的安全稳定运行。

通过理论和实验研究表明，蒸发冷却相变冷板设计方案十分适于大功率高压变频器的散热方案，能满足大功率负荷条件下对器件稳定性、安全性要求高的应用场合,具有非常良好的应用前景。