大功率電力電子裝置自適應散熱控制系統(tǒng)設計

徐濤 阮承治

摘要：針對大功率電力電子裝置散熱控制系統(tǒng)存在的風機選擇不準確，風道設計和擾流片安裝不合理的問題，本文設計了一種大功率電力電子裝置自適應散熱控制系統(tǒng)。采用風冷散熱控制方式對大功率電力電子裝置進行散熱控制，并根據(jù)電力電子裝置中的熱路和熱阻選擇風機。同時，通過分析電力電子裝置的熱傳遞，對風道和擾流片進行合理設計和安裝，為驗證該系統(tǒng)是否滿足大功率電力電子裝置的散熱控制要求，在Modelsim平臺上進行實驗驗證。實驗結果表明，在測點半徑相同的情況下，當大功率電力電子裝置風機電壓分別為280 V和360 V時，本文方法在速度上均高于當前方法;在電力電子裝置發(fā)熱功率和散熱控制器相同的條件下，電力電子裝置的熱阻越小，散熱控制效果越好;在發(fā)熱功率、散熱控制器和風機等相同條件下，該系統(tǒng)對大功率電力電子裝置的散熱系統(tǒng)進行有效控制。該研究為大功率電力電子裝置的安全運行提供了保障。

關鍵詞：大功率; 電力電子裝置; 散熱控制系統(tǒng); 發(fā)熱功率; 散熱控制器

中圖分類號： TM46; TP273.+2??文獻標識碼： A

收稿日期： 20191224; 修回日期： 20200423

基金項目：福建省自然科學基金面上資助項目（2018J01471）;福建省高校杰出青年科研人才計劃（閩教科（2018）47）

作者簡介：徐濤（1984），男，山東煙臺人，碩士，講師，主要研究方向為電子通信與自動控制技術。

通信作者：阮承治（1984），男，安徽安慶人，博士，副教授，主要研究方向為自動控制和智能控制。Email： xutao546857@163.com

隨著新能源光伏、風力和電力等產業(yè)的迅速發(fā)展，光伏發(fā)電機組和風電機組開始逐漸向大功率化方向發(fā)展[1]。光伏發(fā)電機組和風電機組的大型化發(fā)展，使電力電子裝置廣泛應用在大功率工業(yè)領域中[2]。由于電力電子裝置的開發(fā)具有低成本和易于維護的特點，而絕緣柵型雙極晶體管是大功率電力電子裝置中較為重要的器件，帶動了絕緣柵型雙極晶體管的快速發(fā)展，提高了電力電子裝置的開關頻率和容量，因此對電力電子裝置研究具有重要意義。近年來，相關學者也對電力電子裝置進行大量的研究，H.Zenk[3]研究電力電子裝置開關電氣性能控制系統(tǒng)，提出一種有效的開關選擇算法，并將其應用于電力電子開關效率的電路估計。同時對電路中使用的電力電子開關的電流電壓功率容量、開關速率、功率損耗、物理尺寸、加熱水平等進行了研究，并根據(jù)實驗結果進行了算法估計;王勝斌[4]對電力電子裝置在電力系統(tǒng)中的應用進行研究。電力電子裝置在微電網(wǎng)的應用主要包括監(jiān)控保護裝置、蓄能裝置、分布式電源和功率轉換器，應用這些保護裝置可以提高微電網(wǎng)通信監(jiān)控的及時性，防止由于負荷過重而造成系統(tǒng)癱瘓。雖然上述研究取得了一定進展，但目前電力電子裝置散熱控制系統(tǒng)存在散熱控制效果差的問題，導致電力電子裝置中開關的損耗也逐漸加大。為解決上述問題，本文提出一種大功率電力電子裝置自適應散熱控制系統(tǒng)設計方法并在Modelsim平臺進行實驗驗證。實驗結果表明，本文設計的大功率電力電子裝置自適應散熱控制系統(tǒng)，散熱效果好。該研究為實際的電力電子裝置自適應散熱控制系統(tǒng)的應用提供一定的參考。

1?散熱控制方案

為了限制大功率電力電子裝置的結溫，在實際應用中，可采取減少大功率電力電子裝置外熱阻方面的措施[56]，最大程度的減少散熱控制器熱阻和接觸熱阻，使大功率電力電子進行散熱控制[79]。大功率電力電子裝置的散熱控制器與器件之間的裝配質量是決定其正常運行的基礎[10]。大功率電力電子裝置中的器件需要與安裝臺面具有適當?shù)慕佑|面積，形成良好的導熱面和導電面，根據(jù)大功率電力電子裝置品種、容量、外形條件的不同，散熱控制系統(tǒng)的設計也不相同。

1.1?接觸熱阻

1.1.1?器件封裝形式與接觸熱阻的關系

大功率電力電子裝置的封裝形式不同，裝置的接觸熱阻也不相同。大功率電力電子裝置的接觸熱阻還與散熱控制器和電力電子裝置器件間是否存在硅油和墊圈等有關[1112]。散熱控制器與大功率電力電子裝置的接觸表面要保持平整，避免大功率電力電子裝置的外殼受到大氣的侵蝕，在其器件表面進行鍍金銀等措施。

1.1.2?安裝力與電力電子裝置接觸熱阻的關系

根據(jù)大功率電力電子裝置容量的不同，其器件分為平板型器件和螺栓型器件[1314]。為了減少熱阻，平均額定電流較大的電力電子裝置多選用雙面冷卻平板型結構。在大功率電力電子裝置器件中，平板型器件的壓緊力較好，而螺栓型器件的鎖緊力矩較好[1516]。

1.2?散熱控制器熱阻

散熱控制器將熱能傳遞到環(huán)境中的方式有輻射和對流兩種，散熱控制器熱阻是從環(huán)境介質到電力電子裝置散熱控制器的熱阻，而散熱控制器熱阻與散熱控制器的環(huán)境冷卻方式、質地、安裝位置、結構和表面顏色等因素有關。散熱控制器的質地有兩種，分別為鋁質和銅質[1718]。鋁質散熱控制器表面可進行陽極氧化或涂漆;銅質散熱控制器表面需要鈍化、涂漆或電鍍[1920]。通常情況下，電力電子裝置的散熱控制器表面陽極化處理的散熱控制效果比表面涂黑的散熱控制效果差，對于大功率電力電子裝置的散熱控制器，其長度的增加，會減小熱阻，當大功率電力電子裝置的散熱控制器長度增長到一定程度時，此時大功率電力電子裝置的熱阻下降幅度較小。

1.3?散熱控制方式

大功率電力電子裝置散熱控制器中常用的冷卻方式為沸騰冷卻、自冷、液冷和風冷4種，本文采用風冷散熱控制方式對大功率電力電子裝置的散熱控制系統(tǒng)進行設計。

2?總體結構設計

由于大功率電力電子裝置的尺寸受限制，因此提高大功率電力電子裝置散熱控制效果的最佳方法是合理引入紊流，大功率電力電子裝置自適應散熱控制系統(tǒng)如圖1所示。

對大功率電力電子裝置自適應散熱控制系統(tǒng)變壓器電路結構進行設計，采用中性點箝位三電平SPWM逆變橋和24脈波不控整流橋，并采用風冷散熱控制。

2.1?熱路和熱阻

當大功率電力電子裝置中的熱阻和熱路之間存在溫度差時，其熱能會從高溫點傳送到低溫點。在大功率電力電子裝置中，半導體芯片內部是主要發(fā)熱部分，其熱量通過散熱控制器、芯片外殼傳送到環(huán)境介質中。當大功率電力電子裝置中的溫度為穩(wěn)定狀態(tài)時，其芯片每秒發(fā)散的熱量與每秒消耗功率產生的熱量相等，結溫保持穩(wěn)定，不再升高。大功率電力電子裝置器件等效熱回路可根據(jù)熱量傳導過程繪出。

大功率電力電子裝置的熱回路圖與電路圖類似，采用電學模擬方法描述大功率電力電子裝置中的熱量傳輸，將大功率電力電子裝置中的溫差比作電壓，單位時間內大功率電力電子裝置的功耗比作電流，將熱阻看做電阻。通常情況下，大功率電力電子裝置散熱控制時，總熱阻由散熱控制器到環(huán)境介質的散熱控制器熱阻、大功率電力電子裝置外殼到散熱控制器接觸熱阻、芯片到大功率電力電子裝置外殼熱阻構成。大功率電力電子裝置的散熱控制是由高溫區(qū)傳遞到低溫區(qū)，即環(huán)境溫度<大功率電力電子裝置散熱控制器溫度<大功率電力電子裝置外殼溫度<結溫。大功率電力電子裝置散熱控制示意圖如圖2所示。熱阻代表介質傳熱能力，其物理意義是單位時間內大功率電力電子裝置功耗所引起的溫升，散熱控制回路圖如圖3所示。

圖3中，Tj表示電力電子裝置絕緣柵型雙極晶體管管芯的結溫，Tc表示電力電子裝置絕緣柵型雙極晶體管管殼的溫度，Rjc表示電力電子裝置絕緣柵型雙極晶體管結殼間的熱阻，其值的大小與電力電子裝置的封裝結構和管芯尺寸有關，Rcs表示電力電子裝置散熱控制器表面與絕緣柵型雙極晶體管外殼之間的熱阻，與電力電子裝置器件的封裝和安裝技術有關，Rsa表示周圍空氣與散熱控制器間的熱阻，與空氣接觸面積、散熱控制材質有關。

2.2?電力電子裝置熱傳遞

當大功率電力電子裝置進行對流換熱時，其周圍空氣沿著大功率電力電子裝置的散熱控制器表面進行流動。因為空氣具有流體粘性，熱邊界層會產生在臨近大功率電力電子裝置散熱控制器表面的區(qū)域，且隨著大功率電力電子裝置周圍空氣的流動而擴散，空氣流和紊流的發(fā)展過程如圖4所示。

由圖4a可以看出，當大功率電力電子裝置周圍的空氣到達x=0+截面時，由于空氣的粘性作用，使電力電子裝置周圍的空氣在y=0時處于靜置狀態(tài)，此時大功率電力電子裝置周圍空氣的流速減小，并通過y方向逐漸傳播，且電力電子裝置周圍的流體向x方向移動，導致大功率電力電子裝置熱邊界層的厚度γ增加。大功率電力電子裝置的熱邊界層越薄，熱阻越小，電力電子裝置的散熱控制效果越好。由圖4b可以看出，在流體力學原理的基礎上，對大功率電力電子裝置周圍空氣基于散熱控制器表面的流動方向進行改變，在大功率電力電子裝置的流場內加入紊流，減小大功率電力電子裝置熱邊界層的厚度γ。由上述散熱控制理論可知，降低大功率電力電子裝置的熱阻，提高其散熱控制效果的方法是準確選用風機，合理設計風道。

2.3?風道設計和風機選型

在設計風道和選擇風機時，首先應對大功率電力電子裝置中每個柜體的總熱量進行計算，計算時需要考慮吸收回路的損耗和回路母線的發(fā)熱。大功率電力電子裝置自適應散熱控制系統(tǒng)中風機風量為

P=10-3Q/ρc（T0-TA）（1）

式中，Q表示大功率電力電子裝置柜內的總發(fā)熱量;ρ表示空氣密度;c表示空氣中的比熱容;TA為大功率電力電子裝置周圍的環(huán)境溫度;T0表示大功率電力電子裝置排氣口中的空氣溫度。

由式（1）計算大功率電力電子裝置需要的風機風量，并通過散熱控制器熱阻，確定大功率電力電子裝置的風機風壓。設置大功率電力電子裝置中高壓變頻器的進風方式和風道，高壓變頻器進風方式和風道如圖5所示。

將組件安裝在大功率電力電子裝置的前部，其后部為獨立的密封風腔，在大功率電力電子裝置中，組件的散熱控制器通過引風罩與風腔連接，外部氣流通過其頂部抽風機進入其內部，外部氣流通過散熱控制器完成熱交換后引入到裝置的風腔中，最后通過裝置的排風口排出。因為大功率電力電子裝置中的組件散熱控制器與風腔通過獨立的風罩密封連接，使氣流通過大功率電力電子裝置的齒間間隙，保證了散熱控制器與氣流的熱交換面積，提高了氣流的利用率。濾網(wǎng)設置在大功率電力電子裝置的入風口中，保證氣流的潔凈。

3?測試與實驗驗證

為驗證大功率電力電子裝置自適應散熱控制系統(tǒng)選擇的風機與設計的風道是否滿足大功率電力電子裝置的散熱控制要求，在Modelsim平臺上進行實驗驗證。對大功率電力電子裝置柜體布局的空氣流量進行測量，在大功率電力電子裝置中設置9個測試點，測試點中的半徑分別為0，24，49，74，109，130，151，172，194 mm，對測試點進行布置，測試點布置如圖6所示。

采用本文方法和當前電力電子裝置散熱控制系統(tǒng)進行測試，當大功率電力電子裝置風機電壓分別為280 V和360 V時，兩種不同方法的測試結果如表1所示。

由表1可以看出，在測點半徑相同的情況下，當大功率電力電子裝置風機電壓分別為280 V和360 V時，本文方法在速度上均高于當前方法，驗證了本研究可以滿足大功率電力電子的散熱控制需求。

為研究在大功率電力電子裝置條件下，風道對大功率電力電子裝置散熱控制的影響，本文在電力電子裝置發(fā)熱功率和散熱控制器相同的條件下進行實驗。實驗中，采用大功率電阻固定在電力電子裝置的散熱控制器上，對電壓進行調節(jié)，可準確設定大功率電阻的發(fā)熱功率，而電力電子裝置中散熱控制器的溫度通過電子點溫計進行測量，電子點溫計的精度為015 ℃，選取靠近發(fā)熱元件的位置作為電力電子裝置的測溫點，采

用水銀溫度計對實驗過程中電力電子裝置周圍的環(huán)境溫度進行測量，實驗過程所需要的時間約為30 min，每隔10 min對電力電子裝置周圍的環(huán)境溫度和散熱控制器的溫度進行記錄，判斷電力電子裝置散熱控制系統(tǒng)是否達到穩(wěn)定狀態(tài)，通過測量電力電子裝置周圍環(huán)境的溫度和散熱控制器的溫度，確定電力電子裝置中散熱控制器周圍環(huán)境的熱阻，并分別采用大功率電力電子裝置自適應散熱控制系統(tǒng)和當前3種不同的電力電子裝置散熱控制系統(tǒng)對其進行散熱控制操作，4種不同方法的測試結果如圖7所示。電力電子裝置中的熱阻越小，電力電子裝置的散熱控制效果越好;電力電子裝置中的熱阻越大，電力電子裝置的散熱控制效果越差。

由圖7可以看出，本文方法的熱阻小于當前3種不同的方法，在當前方法a和c中，氣流與電力電子裝置中散熱控制器處于平行狀態(tài)，層流是該方法中的主要流場，導致電力電子裝置的散熱控制效果較差;使用當前方法b對電力電子裝置進行散熱控制時，電力電子裝置周圍的空氣流速較快，但該方法沒有將電力電子裝置周圍的空氣引導沖向散熱控制器，在電力電子裝置散熱控制器的表面未形成紊流，導致散熱控制效果不佳。電力電子裝置的熱阻越小，其散熱控制效果越好，說明大功率電力電子裝置自適應散熱控制系統(tǒng)可以有效的進行散熱控制。

為了驗證紊流發(fā)生器對大功率電力電子裝置散熱控制的影響，在發(fā)熱功率、散熱控制器和風機等相同條件下，分別采用大功率電力電子裝置自適應散熱控制系統(tǒng)和當前方法進行測試。在本次實驗中，大功率電力電子裝置的發(fā)熱元由MDSFET和IRFP460兩個功率管并聯(lián)組成，大功率電力電子裝置的風機為直流驅動的抽流風機，直徑110 mm，風量24 m3/min，大功率電力電子裝置散熱控制器的質量為290 g，有效面積為730 cm2。為方便本次實驗測試，將大功率電力電子散熱控制器的臺面作為其散熱控制器的翼面，并將16片擾流片粘到大功率電力電子裝置散熱控制器的臺面。大功率電力電子裝置發(fā)熱元件有直流穩(wěn)定的電源提供，其電流為4 A，電壓為10 V，通過直流穩(wěn)壓電源為柵極驅動提供10 V電壓。

采用紅外非接觸式溫度儀對大功率電力電子裝置的溫度進行測量，紅外非接觸式溫度儀的精度為015 ℃，大功率電力電子裝置散熱控制臺上與發(fā)熱元最近的位置為本次實驗選取的測溫點，當大功率電力電子裝置散熱控制系統(tǒng)穩(wěn)定時，記錄大功率電力電子裝置臺面的溫度。兩種不同方法的散熱控制方案如圖8所示。

由圖8a可以看出，本文方法將擾流片放置在大功率電力電子裝置散熱控制臺的空氣流入端，使空氣進入大功率電力電子裝置散熱控制器時通過擾流片，擾流片對空氣進行作用產生紊流，使紊流通過大功率電力電子裝置的散熱控制器，此時大功率電力電子裝置散熱控制板由紅外非接觸式溫度儀測得的溫度為223 ℃;由圖8b可以看出，當前方法將擾流片放置在大功率電力電子裝置散熱控制臺的空氣流出端，導致空氣通過擾流片產生的紊流直接流出大功率電力電子裝置的散熱控制器，對散熱控制器沒起作用，此時大功率電力電子裝置散熱控制板由紅外非接觸式溫度儀測得的溫度為259 ℃。通過對比本文方法和當前方法可知，大功率電力電子裝置自適應散熱控制系統(tǒng)可有效進行散熱控制。

4?結束語

本文主要對大功率電力電子裝置的散熱控制系統(tǒng)進行設計，該設計可以降低電力電子裝置中的器件因溫度過高而受到的損耗。當前的電力電子裝置散熱控制系統(tǒng)對大功率電力電子裝置進行散熱控制時，因電力電子裝置的風機選擇不準確、風道設計不合理和擾流片安裝不合理等問題，導致對電力電子裝置進行散熱控制時，散熱控制效果不佳。本系統(tǒng)通過準確選擇風機、設計風道和合理的安裝擾流片，解決了當前電力電子裝置散熱控制系統(tǒng)存在的問題，并進行了優(yōu)化和提升。通過實驗證明，大功率電力電子裝置自適應散熱控制系統(tǒng)可以有效的對大功率電力電子裝置進行散熱控制，為大功率電力電子裝置的安全提供保障。該研究為大功率電力電子裝置自適應散熱控制系統(tǒng)提供了理論依據(jù)。在接下來的工作以電力電子裝置的全能性為目的進行研究，以進一步優(yōu)化散熱控制系統(tǒng)的工作性能。

參考文獻：

[1]?張磊， 王貞貞， 王婕. 風電機組擬連續(xù)高階滑模轉矩控制器設計[J]. 控制工程， 2018， 25（1）： 16.

[2]?趙爭鳴， 施博辰， 朱義誠. 高壓大容量電力電子混雜系統(tǒng)控制技術綜述[J]. 高電壓技術， 2019， 45（7）： 20172027.

[3]?Zenk H. Comparison of electrical performances of power electronics switches and an effective switch selection algorithm[J]. Acta Physica Polonica， 2018， 133（4）： 897901.

[4]?王勝斌. 電力電子裝置在電力系統(tǒng)中的應用[J]. 黑龍江科學， 2019， 10（16）： 9697.

[5]?Kang Insung， Lee Insung， Lee Je， et al. Artificial neural networkbased control of a variable refrigerant flow system in the cooling season[J]. Energies， 2018， 11（7）： 1643.

[6]?王萬東， 王志江， 胡繩蓀， 等. 基于Hammerstein模型的GMAWP焊接熔深自適應預測控制[J]. 機械工程學報， 2019， 55（19）： 138145.

[7]?Schrettner L， Lajos B， Erdohelyi B， et al. Configuration management for the integrated control system software of ELIALPS[C]∥Proceedings of the 16th Intemational Conference on Accelerator and Experimental Control Systems. Spain： ICALEPCS， 2017.

[8]?付景超， 周健博， 孫敬. 一類SprottO混沌系統(tǒng)的H∞狀態(tài)控制和自適應控制研究[J]. 數(shù)學的實踐與認識， 2019， 49（3）： 228236.

[9]?郭佳婧， 嚴童， 陳明， 等. 基于大數(shù)據(jù)的電力計量裝置故障智能化診斷研究[J]. 電子設計工程， 2019， 27（23）： 5558.

[10]?Suntio T， Messo T. Power electronics in renewable energy systems[J]. Energies， 2019， 12（10）： 18521859.

[11]?張立霞， 賈同國. 新能源汽車定速自適應控制技術[J]. 自動化與儀器儀表， 2019， 3（5）： 3739.

[12]?Gorai P， Mckinney R W， Haegel N M， et al. A computational survey of semiconductors for power electronics[J]. Energy & Environmental Ence， 2019， 12（29）： 33383347.

[13]?Jaka Margu， Mitja Trunti， Miran Rodi， et al. FPGA based realtime emulation system for power electronics converters[J]. Energies， 2019， 12（6）： 123.

[14]?陳于濤， 曹詩杰， 李東亮， 等. 艦船中央冷卻系統(tǒng)多智能體自治控制[J]. 國防科技大學學報， 2019， 41（3）： 119124.

[15]?侯欣賓， 王立， 李慶民， 等. 空間太陽能電站高壓大功率電力傳輸關鍵技術綜述[J]. 電工技術學報， 2018， 33（14）： 33853395.

[16]?雷曉犇， 王傳奇， 李雪豐， 等. 開關磁阻發(fā)電機角度位置控制自適應遺傳優(yōu)化方法[J]. 南京航空航天大學學報， 2018， 50（3）： 355361.

[17]?李勇偉， 鄭慶華. 冷卻塔節(jié)能控制系統(tǒng)的設計與應用[J]. 節(jié)能， 2019， 12（4）： 810.

[18]?趙楊輝. 電力系統(tǒng)中電力電子裝置的應用[J]. 通信電源技術， 2019， 2（6）： 166167.

[19]?Schimpe M， Piesch C， Hesse H C， et al. Power flow distribution strategy for improved power electronics energy efficiency in battery storage systems： development and implementation in a utilityscale system[J]. Energies， 2018， 11（3）： 533538.

[20]?張秀宇， 丁昊， 祝國強， 等. 塔式光熱電站定日鏡的魯棒自適應控制算法[J]. 中國電機工程學報， 2019， 39（1）： 203212.

Design of Adaptive Heat Dissipation Control System for High Power Power Electronic Device

XU Tao， RUAN Chengzhi

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Wuyi University， Wuyishan 354300， China）

Abstract： ?Aiming at the problems of inaccurate fan selection， unreasonable duct design and spoiler installation in the heat dissipation control system of highpower power electronic device， an adaptive heat dissipation control system of highpower electronic device is designed. The control mode of air cooling and heat dissipation is adopted to control the heat dissipation of the highpower power electronic device， and the fan is selected according to the thermal path and thermal resistance of the power electronic device. At the same time， by analyzing the heat transfer of power electronic device， the air duct and spoiler are designed and installed reasonably. In order to verify whether the system meets the heat dissipation control requirements of highpower power electronic device， experiments are carried out on the Modelsim platform. The experimental results show that under the same measuring point radius， when the fan voltage of highpower power electronic device is 280 V and 360 V， respectively， the speed of the method in this paper is higher than the current method; under the same conditions of the heating power and heat dissipation controller of the power electronic device， the smaller the thermal resistance of the power electronic device， the better the heat dissipation control effect; under the same conditions of the heating power， heat dissipation controller and fan， the system effectively controls the heat dissipation system of the highpower power electronic device. It shows that this method can effectively control the heat dissipation of highpower power electronic devices， and this research provides a guarantee for the safety of highpower power electronic devices.

Key words： high power; power electronic devices; heat dissipation control system; heating power; cooling controller