儲能變流器產品散熱結構設計

常州博瑞電力自動化設備有限公司 劉博嘉 周力民 張 超

南京南瑞繼保電氣有限公司 米高祥 丁 勇 劉為群

隨著產品的集成化、復雜性提高，產品的發熱也隨之上升。本文為滿足儲能變流器的散熱要求，完成包含散熱器、功率器件、風機及風道的散熱結構設計。調整風機相對于功率模塊進風口的距離，進行5組散熱仿真，通過仿真模擬出風口風速、散熱器溫升數據，綜合散熱器的溫升以及結構布置的合理化，得出最優散熱布置方案，驗證了基于熱分析軟件的熱設計優勢，為產品的熱設計提供了可靠的依據。

隨著電力電子技術的高速發展，其功耗引起熱流密度升高，電子設備所處的工作環境的影響因素主要包括：溫度、沙塵、降水等，為保證電力電子設備在各類的環境下可以可靠、充分的發揮其性能，需要對環境做適應性設計。功率器件則是主要產生發熱量的源頭，功率器件是多數電子設備中的關鍵器件，其工作狀態的好壞直接影響整機的可靠性。所以高功率器件的散熱是整個電子設備散熱的關鍵。強迫風冷在需要散熱的電子設備冷卻系統中被廣泛應用，同時也是高功率器件采取的主要冷卻形式。

本文針對整個功率模塊進行散熱結構設計，模擬內部溫度分布及風速情況，指導結構設計，可以節約設計時間，降低生產成本。

儲能變流器功率模塊中主要功率器件為IGBT，功率器件應用時溫度升高，需依靠散熱器來進行散熱，保證其安全正常工作。

散熱器的散熱性能與其和空氣的接觸面積有關，影響接觸面積的因素主要包括翅片高度、厚度、寬度等參數。本次設計通過使用風機配合散熱器進行功率模塊散熱，通過調整風機與功率模塊散熱器之間的距離來滿足散熱需求。利用三維建模軟件進行建模，通過仿真軟件進行散熱模擬，通過分析對比不同工況下的仿真結果，從而選擇散熱效果最優的結構。

1 結構方案設計

1.1 器件選型

儲能變流器作為儲能裝置和電網的柔性接口，實現與電池管理系統的實時通訊，采用高可靠性智能化功率模塊開發，通過充、放電一體化的設計，實現交流系統和直流系統的能量雙向流動。

圖1 散熱器

圖2 風機結構

儲能變流器功率模塊及散熱結構主要包括功率器件、散熱器，風機以及風道結構。本次設計選用擠壓型材散熱器如圖1所示，擠壓型散熱器由翅片和基板組成，翅片與基板位于一體。散熱器基板遠離翅片側附有熱管，熱管位置根據壓裝功率器件位置確定。風機底進風，側出風，如圖2所示。

1.2 散熱結構設計

本文只針對成套散熱結構進行建模，調整風機相對于功率模塊進風口的距離，通過仿真模擬出風口風速、散熱器溫升數據，綜合散熱器的溫升以及結構布置的合理化，得出最優散熱布置方案。成套散熱結構采用底進風、上出風的方式。風機置于功率模塊底部，四周用鈑金圍成密閉風腔，三個功率模塊散熱器底部與風腔接觸面開有對應方形進風口，每個功率模塊散熱器頂部開有方形出風口。空氣經風機底部導風圈吸入，經風機四周葉片甩出到風腔內，然后通過風腔擠壓由頂部功率模塊進風口處流入功率模塊散熱器，最后通過頂部功率模塊出風口排出，形成風道回路，如圖3所示。

圖3 功率模塊及散熱結構

圖4 仿真結構模型

2 熱設計

熱量主要通過熱傳導、熱對流、熱輻射三種方式傳遞。

對流散熱分為自然對流與強迫對流兩種方式。自然對流散熱方式，功率模塊布局應考慮風路設計要求，對于直齒型散熱器，應保證散熱器齒槽垂直于水平面。盡可能增加進出口高度差，避免氣流短路。強迫對流散熱方式，元器件應均勻布置，使風均勻流過每一個發熱源；如果發熱不均，發熱量大的元器件稀疏排列，發熱量小的布局緊湊，或增加導流裝置，將風有效導入至關鍵發熱元器件中；風道界面尺寸盡可能與風扇出口保持一致，采用直風道，減小局部阻力，避免增加沿程阻力損失。

電子設備主要的失效形式是熱失效。所以，對電子設備進行熱設計以及熱分析，早已引起了國內外研究的重視。在產品的設計階段對其進行熱仿真可以有效的模擬實際的工況，通過對于仿真模型的修改，快速的進行工況切換對比。

本次設計采用強迫風冷進行儲能變流器功率模塊散熱，通過風機使結構內部空氣進行流動，冷流體與電子設備內的器件進行熱量交換，從而對整個功率模塊進行冷卻。

3 仿真分析

3.1 仿真模型建立

本文根據散熱器、風機、功率器件實際規格以及三維建模布局完成仿真模型建立，仿真結構模型如圖4。其中，風機位于整個散熱結構的底部，由底部進風，通過風腔與頂部散熱模塊的進風口流經散熱器，從而對功率器件進行散熱。

實際由于功率模塊及其散熱結構在柜內結構布局的條件影響，本次仿真以風機與功率器件進風口的距離為變量，模擬工況下功率模塊的出風口風速及散熱器的溫升情況。

3.2 仿真參數與工況

由于功率模塊的散熱性能會受到與風機之間的相對距離影響，本次仿真模擬五種不同距離工況下功率模塊的出風口風速及散熱器的溫升情況。仿真參數如表1所示，仿真變量如表2所示。

表1 仿真參數設置

表2 仿真工況

3.3 仿真結果分析

五種不同的工況仿真結果數據如表3所示。風機與功率器件進風口的距離200mm、300mm的仿真結果如圖5、圖6所示。

表3 不同工況下的功率模塊出風流速與散熱器溫升

風機與功率模塊進風口間距200mm時，AC相模組出風口最大風速達到11.96m/s，B相模組出風口最大風速達到8.58m/s，風速最大值集中在出風口邊界處；模組散熱器溫度為71.98℃，溫升為31.98℃。

風機與模組進風口間距為300mm時，AC相模組出風口最大風速達到12.30m/s，B相模組出風口最大風速達到9.38m/s，風速最大值集中在出風口邊界處；模組散熱器溫度為69.6℃，溫升為29.6℃。散熱器溫升最高出集中在B相（中間）頂部處。

圖5 風機與功率模塊進風口間距200mm仿真結果

圖6 風機與功率模塊進風口間距300mm仿真結果

圖7 風機與功率模塊不同間距下的散熱器溫度對比

由于風機通過轉軸聯動扇葉進行出風，通過上圖5、圖6可以看出內部流場示意，散熱器溫升最高出集中在B相（中間）頂部處。風機在工作條件下，通過扇葉向四周出風，通過風機罩殼壁面改變風向，因此經過A/C相散熱器風量較多，B相散熱器風量較少。其次，距離功率器件進風口最遠位置的功率器件散熱效果較差，因此B相散熱器頂部位置功率器件溫升最高。

通過模擬五種不同距離的工況，可以看出，風機在與功率模塊進風口間距達到400mm時，A/C相出口最大流速達到12.57m/s，B相出口最大流速達到10.9m/s，散熱器最高溫度達到68.1℃，環境溫度為40℃，散熱器最大溫升達到28.1℃。A/C相與B相出口風速差值為1.67m/s，溫升最高點集中在B相散熱器頂部功率器件布置處。

結論：通過對比五種工況仿真結果表明，在其他條件一定的情況下，風機與功率模塊進風口的距離會直接影響到功率器件的散熱效果，由于風機布置在進風口底部，通過扇葉向四周出風，通過風機罩殼壁面改變風向導致功率模塊的三相散熱存在不均勻的現象，隨著風機與功率模塊進風口的距離不斷增加，功率模塊的散熱效果存在改善，在風機與功率模塊進風口的距離間距達到400mm時，散熱效果達到最優，綜合考量散熱結構的尺寸以及散熱效果，最終采用功率模塊進風口與風機間距400mm方案進行設計。