强迫风冷功率模块的散热研究

常州博瑞电力自动化设备有限公司 张海龙 刘博嘉 徐国良 姚 宁 周力民

从IGBT损耗、散热器、风机选型等几个方面详细介绍了储能变流器功率模块的散热设计。通过仿真软件建立仿真模型，对功率模块的散热通风过程进行仿真分析，根据功率模块的温度场和流场评估热设计的准确性，最后通过对比不同风机的仿真数据验证了功率模块风机选型的合理性，对后续功率模块的散热设计提供指导建议。

近年来，由于工业发展及人民生活水平的不断提高，导致用电量的持续增加，使的电网负荷日益加重。随着国家“双碳”目标的打响，新能源的开发利用步入新的阶段，其中储能系统作为电力生产过程中“采-发-输-配-用-储”六大环节中一个重要组成部分，其市场迅速增长。储能变流器作为储能系统中的关键设备，通过交流、直流的双向转换实现能量的存储和释放。其中储能变流器的功率模块作为储能变流器的核心组件，采用IGBT模块能有效减小器件损耗，提高变流器转换效率。储能变流器要求能够在恶劣的工况下长期运行，对储能变流器产品的可靠性要求是一个巨大的挑战。

伴随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备不断向小型化、密集化发展，由于散热能力不足而导致电力电子设备出现故障的情况时有发生。如果热量不能及时散发出去，造成热量的集聚，从而使电力电子元器件产生故障，影响其工作稳定性甚至缩短使用寿命。据估计，电子元器件的环境温度每升高10℃，其可靠性会减半。因此，电力电子设备所处环境的温度控制，成为设备稳定可靠运行的关键要素。

随着有限元分析的发展，采用数值模拟的方式对具体产品进行热分析已成为热设计的重要方式之一。散热仿真优化分析软件在航空航天、医疗器械、机车牵引、电力电子、消费电子产品、电气、半导体等行业有着广泛的应用，且其散热仿真结果的准确性也得到试验验证。

本文以某种储能变流器功率模块为研究对象，在确定散热器材料、基板厚度、翅片高度、翅片厚度、翅片间距的情况下，通过仿真对比不同风机的散热效果，其结果对储能变流器模块的散热设计具备一定的指导意义。

1 散热系统设计

1.1 电子热设计理论

电力电子设备的热设计主要采用合适可靠的方法来控制产品内元器件的温度，使其在所处的工作环境温度下运行时，温度不超过规定的最高温度，这就要求电力电子设备产品要具有良好的热可靠性。

温度是影响元器件可靠性的一个重要因素，研究表明近55%的电子器件失效是由于温度相关的因素导致的，散热设计已成为电子电子设备性能分析中不可或缺的一部分。基于电力电子器件的实际发展情况，对散热方面的不断深入研究，应用较为普遍的散热方法有风冷、液冷、热电制冷、热管制冷等。根据相关研究可知，液冷换热系数更高、效果更佳，风冷则成本相对较低，对此在散热设计过程中需结合实际运行工况选择合理的散热方式。

1.2 功率模块损耗

储能变流器的功率器件为IGBT模块，IGBT模块损耗主要包括IGBT和FWD的导通损耗和开关损耗。在产品开发过程中，IGBT模块的热损耗数据来源于厂商提供的模拟仿真数据。功率模块总发热量为2700W，IGBT最高允许的稳定工作的结温为115℃。每个功率模块单独配1个散热器。

1.3 散热器设计

IGBT模块的热量先通过热传导将散热器基板进行加热，之后热量由基板传导至散热器翅片，最后通过对流将翅片上的热量带走。在结构及生产工艺允许的情况下，翅片应尽可能的薄，同时要控制合理的翅片间距，翅片过密散热量会增大，同样也会导致的风阻增大，对风机的抗压损能力要求较高。

结合功率模块的外形尺寸要求、IGBT模块损耗、散热效率以及散热器厂家的生产工艺确定散热器的规格参数，见表1所示。

表1 散热器参数

1.4 风机选型

在产品开发过程中，根据产品实际热损耗进行风量计算、风机选型，合适的风机对设备的长期稳定运行是至关重要的。散热器所需风量L可根据热平衡方程计算得出，然后根据散热器所需风量进行散热风机选型。

图1 风机1温度场

图2 风机2温度场

图3 风机3温度场

式中L为所需气体流量，单位m3/s；Q为功率模块的总热损耗，单位kW；ρ为气体密度，单位kg/m3，Cp为气体比热，单位J/(kg.℃)；Δt为进风出风的温差，单位℃。

环境温度40℃时，空气比热容为1.005kJ/(kg.℃)，密度为1.128kg/m3，根据上式计算其风量值：L=2.7/(1.128h1.0058h15)≈0.16m3/s，取1.2的安全系数，得出单个功率模块的风量为0.19m3/s。

结合计算出的风量数据，要求风机风量不小于0.19m3/s，同时具备一定的余压。初步选型三款风机，分别命名为风机1、风机2、风机3。通过仿真进行对比分析，选择合适的风机作为最终选型使用。

2 储能变流器热功率模块仿真分析

2.1 仿真建模

储能变流器功率模块的仿真模型参数设置如下：（1）环境温度：40℃；（2）海拔1000m；（3）设置选用紊流状态计算公式，系统求解迭代计算步数为5000；（4）单个功率模块损耗为2.7kW，风冷散热器材质为AL，在散热器表面设置面热源，输入功率模块实际工作条件下的损耗值。

IGBT模块的热损耗为功率功率模块中的主要热源，为方便仿真计算，对功率模型进行简化，忽略对热设计影响较小的元器件。并根据实际风机的选型，输入相应风机的P-Q曲线作为变量对比，仿真参数设置见表2所示。

表2 边界条件

2.2 温度场分布

通过仿真，可以清晰的对比出使用不同风机时散热器的温升及通过散热器的流量。

2.3 报告及分析

通过仿真软件的后处理读取3种风机的风量、工作点、散热器温升，见表3所示，可以得出以下结论：

（1）在使用散热器结构外形一致的的情况下，不同风机实际流量：风机1＜风机2＜风机3，风机1流量不满足系统最小流量要求，风机2、风机3风量满足使用要求。

（2）风机1工作点位于风机曲线末端，处于不合理的区间，风机2、风机3工作点位于风机曲线中间段，位于合理的工作区间。

（3）在当前散热器结构的仿真系统中，风机1应用后，散热器温升超40K，风机2、风机3应用后，散热器温升小于40K。不同风机的温升值如表3所示。

表3 不同风机的温升值

本文通过理论计算得出功率模块散热所需最低风量，根据风量完成3款风机选型。在功率模块散热器结构保持不变的情况下，从风量、压损、散热器温升对3款风机的散热能力进行对比。仿真结果直观的体现出不同风机的在当前系统中的散热能力，可以用于指导风机选型及散热器的优化设计工作。