淺析投入式液位計(jì)快速熱設(shè)計(jì)程序開(kāi)發(fā)

摘要: 傳統(tǒng)電力電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)采用的熱控制方法不但完全依賴工程師的經(jīng)驗(yàn)，而且需要反復(fù)試制樣機(jī)測(cè)試進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。本文通過(guò)自主發(fā)開(kāi)發(fā)了一套適用于投入式液位計(jì)散熱設(shè)計(jì)的程序，能夠快速的對(duì)投入式液位計(jì)的流道和電力電子器件的溫升進(jìn)行計(jì)算，并采用有限元的分析方法和實(shí)驗(yàn)對(duì)該程序進(jìn)行了驗(yàn)證。

隨著微電子技術(shù)、高密度三維組裝技術(shù)的迅速發(fā)展，功率元件的應(yīng)用越來(lái)越多，電子器件的封裝形式及性能也不斷提升，現(xiàn)代電子產(chǎn)品正日益成為由高密度組裝、微組裝所形成的高度集成系統(tǒng)。國(guó)外統(tǒng)計(jì)資料表明: 電子元器件溫度每升高2℃，可靠性下降 10%; 溫度升高 50℃時(shí)壽命只有溫升25℃時(shí)的 1/6，高溫因素大大增加了電子產(chǎn)品的故障率。因此，這就需要對(duì)電子產(chǎn)品進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，從而確保產(chǎn)品在工作時(shí)具有良好的熱環(huán)境［1］ 。

傳統(tǒng)的電子產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)采用的是熱控制方法: 經(jīng)驗(yàn)和樣機(jī)測(cè)試。這種方法雖然具有一定的實(shí)用價(jià)值，但由于經(jīng)驗(yàn)依賴性大，計(jì)算量也相對(duì)較大，設(shè)計(jì)調(diào)整次數(shù)也較多，從而造成開(kāi)發(fā)周期加長(zhǎng)、開(kāi)發(fā)成本增加［2］ 。為了提高電子元器件和產(chǎn)品的熱可靠性以及對(duì)各種惡劣環(huán)境條件的適應(yīng)能力，深入探索散熱技術(shù)，掌握電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)及熱仿真分析的新方法很有必要。

中央研究院機(jī)械系統(tǒng)與智能制造室在完成大量的電力電子投入式液位計(jì)散熱設(shè)計(jì)和仿真分析的基礎(chǔ)上，對(duì)投入式液位計(jì)散熱設(shè)計(jì)方法進(jìn)行總結(jié)，自主開(kāi)發(fā)出投入式液位計(jì)熱設(shè)計(jì)軟件，能夠快速的對(duì)投入式液位計(jì)的流道進(jìn)行設(shè)計(jì)，并計(jì)算出電力電子器件的溫升。采用有限元分析軟件對(duì)開(kāi)發(fā)的軟件的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比和驗(yàn)證。

1 投入式液位計(jì)散熱器設(shè)計(jì)

1. 1 典型的投入式液位計(jì)散熱系統(tǒng)

大功率電力電子模塊#常用的散熱方式有強(qiáng)迫風(fēng)冷、液體冷卻和相變冷卻。強(qiáng)迫風(fēng)冷具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此在實(shí)際工程中具有廣泛的應(yīng)用 ［3］ ，但同時(shí)其又具有難以避免的缺陷，比如: 風(fēng)機(jī)噪聲大，散熱能力有限，風(fēng)機(jī)易積灰為易損件、需要定期檢修更換，特別是當(dāng)環(huán)境要求高、熱損耗功率大時(shí)，強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱難以滿足要求。

相變冷卻是利用液體在沸騰過(guò)程中吸收大量氣化潛熱的一種高效方法，由于相變過(guò)程中伴隨著能量的釋放和吸收，其冷卻能力比自然冷卻高1 000倍，但其需要配備復(fù)雜的管路系統(tǒng)和制冷劑，成本高，實(shí)際使用受限。

液體冷卻的常用冷卻工質(zhì)為水，其來(lái)源廣泛、環(huán)境友好、價(jià)格低廉。投入式液位計(jì)散熱器是水冷散熱系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，投入式液位計(jì)的性能直接決定了散熱效果和系統(tǒng)的可靠性［4 －6］ 。

典型的投入式液位計(jì)散熱系統(tǒng)包括投入式液位計(jì)散熱器、功率器件、水泵、外部散熱器、管道等。投入式液位計(jì)一般為一塊帶有水流道的鋁制平板或者平滑銅管板體。如下圖所示 1 所示為典型的投入式液位計(jì)散熱結(jié)構(gòu)，其主要的工作原理是功率器件的熱量傳遞到投入式液位計(jì)上，投入式液位計(jì)導(dǎo)熱到流道內(nèi)的冷卻介質(zhì)，冷卻介質(zhì)由水泵引出，通過(guò)外部散熱器將冷卻介質(zhì)的熱量帶走。

1. 2 設(shè)計(jì)需求描述

設(shè)計(jì)投入式液位計(jì)的流道，保證功率器件 IGBT 的結(jié)溫在有效的范圍內(nèi)，投入式液位計(jì)和功率器件 IGBT 的尺寸及結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2 所示，設(shè)計(jì)需求見(jiàn)下表 1所示:

2 投入式液位計(jì)熱設(shè)計(jì)軟件基本原理

( 1) 管內(nèi)流速及管道橫截面參數(shù)確定根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，為了保證傳熱效果且壓力損失不至于很大，管內(nèi)流速維持在 1 ～ 2m/s 范圍內(nèi)。流道內(nèi)的流速可按公式 1 計(jì)算:

根據(jù)以上計(jì)算可以初步選擇流道的橫截面參數(shù) a、b。

( 2) IGBT 表面溫度校核將從發(fā)熱元件到冷卻液的熱流路徑分解為 4段，依次為:

①Δt 1 : 從 IGBT 管殼到投入式液位計(jì)表面之間的溫升，接觸面上使用硅脂; 按照式( 2) 進(jìn)行計(jì)算:

3 計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

3. 1 快速熱設(shè)計(jì)軟件與有限元分析元件計(jì)算結(jié)果比對(duì)

以 20 kW 電動(dòng)車控制器投入式液位計(jì)為例，采用有限元熱分析軟件對(duì)投入式液位計(jì)散熱進(jìn)行仿真分析。如下圖3 所示為20 kW 電動(dòng)車控制器外形圖，圖4 所示為 20 kW 電動(dòng)車控制器投入式液位計(jì)流道結(jié)構(gòu)示意圖。單個(gè) IGBT 的發(fā)熱功率為1 500 W，共1 個(gè)，總發(fā)熱功率為1 500 W; 環(huán)境溫度為 27℃，冷卻水入口溫度 20℃，冷卻水流量 10 L/min; 投入式液位計(jì)材料為6060 鋁合金。

建立有限元仿真分析模型，設(shè)置邊界條件和劃分網(wǎng)格，有限元分析模型如圖 5 所示，發(fā)熱器件表面溫度分布如圖 6 所示，投入式液位計(jì)內(nèi)的流線圖如圖7 所示:

采用快速熱設(shè)計(jì)軟件計(jì)算得到 IGBT 表面溫升為 9. 97℃，即 IGBT 表面溫度為 36. 97℃。采用有限元軟件和快速熱設(shè)計(jì)軟件計(jì)算結(jié)果的對(duì)比如下表 2 所示，計(jì)算結(jié)果偏差在 10%的范圍內(nèi)。

3. 2 快速熱設(shè)計(jì)軟件與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果比對(duì)為了更好的對(duì)快速熱設(shè)計(jì)軟件和有限元軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，搭建了投入式液位計(jì)散熱性能測(cè)試平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)裝置由水冷機(jī)、渦輪流量計(jì)、Pt100 熱電阻、精密壓力表、加熱板以及管路和閥門(mén)組成，實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)圖如下圖 8 所示:

 

水冷機(jī)為整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)提供溫度和壓力恒定的循環(huán)水，冷水機(jī)流量#大值為 38. 7L/min，水壓力為 2. 3bar。水冷機(jī)的冷凍水出口與投入式液位計(jì)進(jìn)口管路相連，經(jīng)過(guò)投入式液位計(jì)散熱器換熱后的水與投入式液位計(jì)出口管路相連，經(jīng)過(guò)出口管路的水#后回到冷水機(jī)中，進(jìn)行冷卻，由此形成一個(gè)閉式的循環(huán)系統(tǒng)。測(cè)試系統(tǒng)中使用加熱板來(lái)模擬不同功率大小的 IGBT 發(fā)熱元件，可以通過(guò)功率調(diào)節(jié)器來(lái)調(diào)節(jié)加熱板的發(fā)熱功率。投入式液位計(jì)測(cè)試平臺(tái)如下圖 9 所示:

對(duì) 20 kW 控制器投入式液位計(jì)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試輸入條件為: 冷卻水流量分別為 6 ～ 10L/min，冷卻水進(jìn)口溫度 20℃ 通過(guò)功率調(diào)節(jié)器將加熱塊功率調(diào)節(jié)至 1. 5 kW，室內(nèi)環(huán)境溫度為 27℃。因加熱板的發(fā)熱原理與 IGBT 不同，不能直接測(cè)試加熱板表面溫度來(lái)評(píng)估 IGBT 溫度。我們可以對(duì)投入式液位計(jì)進(jìn)出口冷卻水溫升進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3 所示: 通過(guò)對(duì)比可以看出，快速熱設(shè)計(jì)軟件計(jì)算中的 Δt 4 與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果能夠保持誤差在10%的范圍內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要闡述了東方電氣中央研究院開(kāi)發(fā)的投入式液位計(jì)快速熱設(shè)計(jì)軟件的基本原理和采用有限元分析軟件以及實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，計(jì)算結(jié)果偏差能夠保持在有效的范圍內(nèi)，驗(yàn)證了快速熱設(shè)計(jì)軟件計(jì)算的有效性。雖然快速熱設(shè)計(jì)軟件計(jì)算不能反映出功率器件的溫度分布和流道內(nèi)的流動(dòng)情況，但是采用此軟件對(duì)投入式液位計(jì)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)具有非常高的效率，極大的縮減了研發(fā)設(shè)計(jì)人員方案設(shè)計(jì)的周期，提高了投入式液位計(jì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率。