逆變焊機的強迫風(fēng)冷散熱設(shè)計

張守會　楊克柱　張光先　叢煒峰　孫潤生

摘要：對逆變焊機進行合理的強迫風(fēng)冷散熱設(shè)計，有利于提高整機的可靠性，延長設(shè)備的使用壽命。結(jié)合實例，提出了逆變焊機強迫風(fēng)冷下IGBT模塊散熱設(shè)計理論計算方法，并對計算結(jié)果進行仿真分析及測試驗證，結(jié)果證明此計算方法能夠滿足設(shè)計要求，可以為電焊機等大功率產(chǎn)品的散熱設(shè)計提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：逆變焊機;強迫風(fēng)冷;散熱設(shè)計

中圖分類號：TG434.4文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1001-2303（2020）03-0028-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.03.05

1 強迫風(fēng)冷散熱特點及設(shè)計要求

強迫風(fēng)冷是利用風(fēng)機提高空氣的流動速度，以保證電子設(shè)備的良好散熱。研究指出[1]，電子設(shè)備運行過程中，其內(nèi)部的高功率器件會產(chǎn)生大量的熱量，優(yōu)良的散熱是保證電子設(shè)備可靠性的關(guān)鍵。強迫風(fēng)冷散熱工作可靠、易于維修保養(yǎng)、成本相對較低，因此，在電子設(shè)備的冷卻系統(tǒng)中，強迫風(fēng)冷散熱已成為高功率器件散熱的主要方式。但實踐經(jīng)驗指出[2]，強迫風(fēng)冷散熱設(shè)計的理論計算相對復(fù)雜，同時高功率器件的管殼溫度、散熱器以及風(fēng)機之間相互影響，使得設(shè)計人員不能簡單依靠單一因素確定散熱器結(jié)構(gòu)或確定風(fēng)機。如何在相互影響的關(guān)系中進行散熱計算，并最終將管殼（或管芯）的溫度控制在要求范圍內(nèi)，成為逆變焊機強迫風(fēng)冷散熱設(shè)計的關(guān)鍵。本文結(jié)合長期的工作實踐，提出了逆變焊機強迫風(fēng)冷下IGBT模塊散熱設(shè)計理論計算方法，并通過仿真分析、樣機測試驗證此計算方式的正確性。

2 逆變焊機熱設(shè)計理論計算

2.1 設(shè)計指標(biāo)

（1）電氣指標(biāo)。

本次設(shè)計的逆變焊機型號為NBC-500，其額定輸出功率Pout=19.5 kW，整機損耗P損=2.7 kW，額定負載持續(xù)率為100%。該設(shè)備開關(guān)器件為IGBT模塊（型號為SKM100GB12T4），電路拓撲為全橋移相諧振軟開關(guān)電路，如圖1所示。通過設(shè)計計算及在線仿真分析[3]，其工作狀態(tài)時的總損耗為PIGBT=647.2 W。

（2）結(jié)構(gòu)指標(biāo)。

在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，采用軸流風(fēng)機向前吹風(fēng)的直通風(fēng)道形式，其風(fēng)道尺寸為555 mm×295 mm×307.5 mm，風(fēng)向如圖2所示。直通風(fēng)道風(fēng)阻小，可以在保證大功率器件有效散熱的同時降低熱設(shè)計的成本，而且能減少風(fēng)扇馬達過熱引起的故障;其次吹風(fēng)方式有利于風(fēng)量的集中，可以對發(fā)熱區(qū)域?qū)嵤┘欣鋮s，減少機器內(nèi)部的灰塵聚積量。

2.2 風(fēng)機選型

（1）確定風(fēng)機工作點。

風(fēng)機的作用是將設(shè)備內(nèi)部的熱量帶出至外部環(huán)境，設(shè)計計算過程中可假定風(fēng)機能夠達到理想狀態(tài)，即風(fēng)機能夠帶走所有的熱量，因此，可根據(jù)熱平衡方程初步計算所需風(fēng)機的工作點風(fēng)量[4]：

2.4 散熱器設(shè)計

公司焊機產(chǎn)品普遍采用肋片式散熱器，材料為6063鋁合金，導(dǎo)熱系數(shù)λ=201 W/（m·k），具有易加工、成本低的特點。在電氣設(shè)備中散熱器可以將IGBT等器件的熱量迅速可靠地從基板傳導(dǎo)至翅片，再通過風(fēng)冷或?qū)α鬏椛湎蛲獠凯h(huán)境傳導(dǎo)，因此，當(dāng)溫度達到穩(wěn)定工作狀態(tài)后散熱器的散熱量q應(yīng)大于等于IGBT功耗PIGBT。

IGBT散熱器的功率傳導(dǎo)示意如圖7所示[5]，可以得出IGBT每個管芯工作結(jié)溫Tj=（Rjc+Rch）PIGBT/4+Th。查找IGBT技術(shù)手冊，其Rjc=0.27 K/W;Rch與導(dǎo)熱硅脂有關(guān)，通常情況下Rjc=0.05 K/W。根據(jù)公司可靠性測試標(biāo)準，IGBT最高工作結(jié)溫Tj為135 ℃，為保證整機的可靠性取Tj=125 ℃，因此設(shè)計的散熱器表面溫度Th≤73 ℃。

因此所需散熱器表面積F=1.13 m2，在三維軟件SW中賦予散熱器一定長度，散熱器長度為230 mm時能夠滿足散熱要求。

3 逆變焊機熱設(shè)計仿真分析

對逆變焊機進行熱設(shè)計仿真分析時，僅考慮對散熱影響較大的因素，與散熱無關(guān)的結(jié)構(gòu)可適當(dāng)進行簡化，在Ansys Icepak 15.0中，采用自建模方式對三維結(jié)構(gòu)進行簡化[7]，簡化后計算區(qū)域包含設(shè)計的風(fēng)機、散熱器及通風(fēng)百葉窗（如圖8所示），輸入相應(yīng)的設(shè)計參數(shù)，環(huán)境溫度設(shè)定為40 ℃。根據(jù)上述分析，將IGBT模塊簡化為恒定功耗的發(fā)熱源，采用標(biāo)準發(fā)熱體溫升對比的方式，通過檢測散熱器的溫度，可以判斷IGBT結(jié)溫是否滿足要求。在熱源IGBT1中心點設(shè)定監(jiān)測點1（散熱器表面溫度Th），在發(fā)熱源附近設(shè)置檢測點2（實際產(chǎn)品中溫度繼電器的位置）。采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格形式對計算區(qū)域進行劃分，然后求解計算。求解后散熱器溫度分布云圖顯示（見圖9），Th為72 ℃，檢測點2溫度為65 ℃，與設(shè)計指標(biāo)相符。

4 逆變焊機熱設(shè)計測試驗證

實物樣機如圖10所示，按照可靠性測試標(biāo)準進行測試。測試樣機在恒溫箱中進行，以保證環(huán)境溫度恒定在40 ℃。為保證觀察結(jié)果的準確性，在測試前將IGBT模塊開殼，并將芯片上部的密封膠處理干凈，然后涂抹適量導(dǎo)熱硅脂。實驗過程中采用熱成像儀（FULUKE）觀測IGBT結(jié)溫，測試結(jié)果顯示，IGBT管芯結(jié)溫Tj=123 ℃，故Th=Tj-（Rjc+Rch）PIGBT/4=71 ℃，與仿真分析結(jié)果基本一致，說明符合設(shè)計指標(biāo)。

5 結(jié)論

逆變焊機強迫風(fēng)冷散熱設(shè)計較為復(fù)雜，同時需要考慮較多的外界因素。本文結(jié)合實際經(jīng)驗，對各環(huán)節(jié)進行詳細計算，得出合理的IGBT散熱設(shè)計數(shù)據(jù)，設(shè)計結(jié)果顯示，本研究的理論計算方法可以用于逆變焊機強迫風(fēng)冷散熱的熱設(shè)計計算。

參考文獻：

[1] 王秋曉，付曉艷，譚健，等. 電子機箱強迫風(fēng)冷時PCB板局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的研究[J]. 工程科學(xué)與技術(shù)，2018，50（1）：157-163.

[2] 韓洪兵. 強迫風(fēng)冷電機溫升試驗試驗方法的研究[J]. 電子技術(shù)與軟件工程，2017（21）：239-240.

[3] 楊學(xué)武，畢曉峰. 逆變弧焊電源IGBT模塊的設(shè)計和選型[J]. 電焊機，2008，38（12）：50-61.

[4] 張慶軍，李麗丹，何釗. 基于強迫風(fēng)冷的風(fēng)道特性測試技術(shù)研究[J]. 中國測試，2017，43（1）：140-144.

[5] 杜毅，廖美英. 逆變器中IGBT模塊的損耗計算及其散熱系統(tǒng)設(shè)計[J]. 電氣傳動自動化，2011，33（1）：42-46.

[6] 苗力. 某大功耗機載電子設(shè)備強迫風(fēng)冷方案設(shè)計[J]. 機械工程師，2016（2）：27-28.

[7] 賈磊磊，張旭，李小尹，等. 基于Icepak的屜式插箱結(jié)構(gòu)風(fēng)冷仿真[J]. 山東工業(yè)技術(shù)，2015（17）：186-188.