大功率模塊水冷計算和仿真優化的研究

鄧南輝 王 鶴 王 鋒 肖 旭

（中機國際工程設計研究院有限責任公司 旋轉動力測控技術研究中心，長沙 413000）

隨著變頻器逐漸取代大型發電機機組，小功率風冷因功率密度小、外形尺寸大往往無法滿足工業上小尺寸、大功率密度的要求。因此，高功率密度變頻器的需求越來越大。絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）和二極管作為變頻器最主要的元器件，其功率密度增大會導致IGBT和二極管由原來的風冷變成水冷。計算水冷散熱器所需的水流量常采用估算方式，但無法精確計算IGBT和二極管運行的最高結溫以及多IGBT和二極管間的最小安裝距離。

近年來，許多科研工作人員和公司正在大力研究高密度水冷變頻器的散熱器。2019年，蘭州交通大學劉國鵬提出一種帶翅片的水冷散熱器，并仿真與優化了翅片的不同間距[1]。2020年，潘政薇等提出優化水冷散熱機箱流道中翅片成流線型分布，可提高散熱效率[2]。2020年，高鳳良等利用仿真驗證了IGBT安裝水冷散熱器的水冷方案，仿真了散熱器結構[3]。2020年，李學文等針對大功率水冷二極管提出瞬態仿真和優化方法，確定了瞬態條件下二極管最小使用數量[4]。2021年，石建光等研究電機控制器IGBT模塊水冷散熱器的肋片結構形式、數目和厚度對散熱器性能的影響[5]。以上研究大部分基于散熱器本身結構的優化，忽略了多IGBT串并聯和IGBT間距之間的優化。

實際使用水冷散熱器時，相關人員無法快速準確計算水量。通過三電平拓撲和工作制計算每個IGBT模塊和二極管的熱損，通過仿真平臺相互校驗熱損計算準確性，通過經驗公式計算所需水流量，通過仿真分析水流量是否滿足要求優化IGBT的間距，使得變頻器結構在滿足散熱和電氣要求的前提下結構更加緊湊，有利于降低成本。

1 三電平單元原理及其布局

1.1 單元圖拓撲

基于3 300 V、600 A水冷三電平單元進行分析，可得到三電平單元拓撲圖，如圖1所示。整個單元主要由放電電阻、母線電容、母線尖峰吸收電容、二極管、IGBT模塊、電阻電容（Resistor Capacitance，RC）吸收電阻、RC吸收電容、交流電流傳感器、水冷散熱器、控制器以及其他采樣原件組成。

三電平單元的主要發熱元件為IGBT模塊、二極管模塊和電阻。其他元器件的發熱量遠小于主要發熱元件，通過自然冷卻即可滿足散熱要求。因此，這里對其他發熱元件發熱忽略不計。

1.2 模塊結構布局

根據三電平電氣參數，這里的三電平單元IGBT模塊選擇SEMIKRON的FZ1200R45KL3_B5，外形尺寸為190 mm×149 mm×48 mm（長×寬×高）。二極管模塊選擇SEMIKRON的DD1200S45KL5_B5模塊，外形尺寸為130 mm×140 mm×48 mm（長×寬×高），電阻運行功率為400 W。模塊初始結構布局如圖2所示，整體安裝在600 mm×522 mm× 20 mm（長×寬×高）的水冷散熱板上。IGBT模塊距離水冷散熱器上下邊界為39.5 mm，IGBT模塊間距離為60 mm，二極管模塊間距為60 mm。

圖2 模塊布局圖

2 熱損計算和水冷參數計算

2.1 熱損計算

三電平逆變器的4個IGBT管組成3種不同的組合，分別對應3種不同的電位輸出。當V1、V2導通時，輸出電平為2 600 V；當D1、V2導通時，輸出電平為0 V；當V3、V4導通時，輸出電平為-2 600 V[6]。 IGBT模塊由IGBT單元和反并聯續流二極管（Free Wheeling Diode，FWD）單元組成，而模塊的熱損Ptotal由IGBT單元損耗PIGBT和二極管單元損耗PFWD兩部分組成。器件的損耗分為靜態損耗、開關損耗和驅動損耗。其中：靜態損耗分為通態損耗和截止損耗；開關損耗分為開通損耗和關斷損耗。

IGBT的截止損耗和驅動損耗所占的比例較小，可以忽略不記。所以，IGBT單元損耗主要由通態損耗Pss和開關損耗Psw組成。對于續流二極管FWD，截止損耗和開通損耗功率較小，可以忽略。因此，FWD的主要單元損耗由通態損耗PDC和反向恢復損耗功率PRR組成，其計算公式為

式中：Ptotal為IGBT模塊總損耗；PIGBT為IGBT單元損耗；PFWD為二極管單元損耗；Pss為IGBT的單元通態損耗；Psw為IGBT開關損耗；PDC為二極管單元通態損耗；PRR為二極管單元反向恢復損耗。

根據圖1電路中各元器件的工作時間和開通占空比，可以推導V1、V2、V3、V4、D5以及D6器件相對應的損耗。

V1和V4對稱，通態損耗功率為

式中：D(t)為占空比；M為調制度；φ為功率因數角；UCE為通態壓降；IC為集極電流；Uon_T為IGBT門檻電壓；ron_T為IGBT等效導通電阻；Io為輸出正弦電流峰值。

由于V1和V4對稱，其中的IGBT單元開關損耗功率相等，表達式為

式中：fc為調制波頻率；UD為輸入直流電壓；UN為廠商測試開關損耗時器件的耐壓；a、b、c、d、e、f分別為開通損耗、關斷損耗與IC關系曲線的二次函數擬合常數。

由于V2和V3對稱，則其中的IGBT單元通態損耗功率相等，表達式為

由于V2和V3對稱，則開關損耗功率相等，表達式為

對于V1、V2、V3、V4的二極管，D5、D6的通態損耗為

式中：Uon_D為FWD的門檻電壓；UF為二極管兩端電壓；IF為流經二極管的電流。

對于V1、V2、V3、V4的二極管，D5、D6的關斷損耗為

三電平參數如表1所示。結合式（1）～式（7）和表1的 參 數，運 用MATLAB求 解，得V1～V4、D5、D6在3 300 V、600 A輸出條件下的熱損。這里IGBT和二極管選用SEMIKRON公司的元件，通過SEMIKRON公司官網提供的熱損計算仿真軟件，對比MATLAB計算熱損和SEMIKRON仿真熱損，確保前期熱損值計算準確，計算結果如表2所示。其中，I表示IGBT模塊中的IGBT單元，D表示IGBT模塊中的二極管單元。

表1 三電平拓撲輸入參數表

表2 MATLAB計算和SEMIKRON官網熱損計算對比 單位：W

由表2可知，SEMIKRON官網仿真計算的損耗功率比MATLAB計算的損耗功率略小，且誤差很小。這里選取SEMIKRON官網仿真所得的熱損進行下一步仿真計算。

選取V1/V4總功率損耗為3 593.14 W，V2/V3總功率損耗為781.27，D5/D6總功率損耗為1 022.42 W。 另外，電阻功率為400 W。

2.2 所需水流量估算

通過水流量估算公式計算本單元所需的水量，并將計算的水流量應用于后續仿真，驗證計算的水流量是否滿足要求。

水流量估算公式為

式中：Q為熱量，J；c為熱量，J·kg-1·℃-1；m為液冷所需的液體質量，kg；ΔT為進出口水溫差，℃。

仿真計算的熱損為功率，單位為kW，需要轉化成為熱量，轉化公式為

式中：P為發熱元件的總熱損，W；ρ為液體密度，kg·m-3；V為1 h所需的液體體積，L。將相關數據帶入式（8），根據經驗ΔT取10 ℃，得出所需的水流量為18.85 L·min-1。為了保持余量，這里選用20 L·min-1的水流量用于仿真。

3 FLOTHERM熱仿真分析

選用20 L·min-1的水流量用于仿真，V1/V4的IGBT模塊總損耗功率為3 593.14 W，V2/V3的IGBT模塊總損耗功率為781.27 W，D5/D6的二極管模塊總損耗為1 022.42 W，電阻功率為2 400 W。仿真分析的環境條件為55 ℃的環境溫度和35 ℃的水溫。

3.1 仿真建模

將各個模塊的總熱損賦予每個模塊，并賦值所需的水流量，可得到仿真模型如圖3所示。

圖3 FLOTHERM仿真模型

為了減少軟件運行的計算量，對模塊進行方塊化處理，同時散熱器原本直徑為12.7 mm的內圓簡化成11.25 mm×11.25 mm的正方形截面流道。簡化后，流道截面積相同。

3.2 仿真結果

V1、V2、V3、V4穩態結溫的仿真結果如圖4所示，其中V1的結溫最高，約為93.5 ℃，V4結溫約為88.9 ℃。 V1、V2、V3、V4最高結溫可達175.0 ℃。ΔT為10.0 ℃ 時，選取的水流量滿足元器件散熱要求，且裕量較為充足。元器件溫度分布云圖如圖5所示，進出口水溫如圖6所示，進出口壓強如圖7所示。由圖6可知，仿真時進口水溫為35.0 ℃，出口水溫為44.3 ℃，溫差為9.3 ℃。通過仿真計算可知，當進出口壓強差約為3.57×104Pa時，可滿足壓強要求。可見，一般常用變頻器用水壓強為0.3 MPa時，可滿足壓強要求。

圖4 V1～V4穩態結溫

圖5 元器件溫度分布云圖

圖6 進出口水溫

4 模塊間距優化分析

優化IGBT和二極管模塊的間距，通過調整間距進一步緊湊結構，降低成本。通過試驗設計（Design Of Experiment，DOE）分析，計算不同間距下IGBT和二極管的結溫。由于V1的結溫最高，當在最小間距下、V1結溫小于120 ℃時即可確保模塊長時間運行。不同IGBT間距下V1的結溫如表3所示。

表3 不同IGBT間距下V1的結溫

通過調整間距發現，當水流量保持20 L·min-1不變時，模塊最小間距約為10 mm，極大提高了結構的緊湊性。

5 結論

通過對該3 300 V、600 A水冷三電平進行熱損計算和熱仿真分析，可得如下結論。

（1）SEMIKRON官網仿真比實際運行仿真時的熱損偏小，誤差在可接受范圍，驗證了SEMIKRON官網計算的準確性。

（2）當所需水流量估用溫差為10 ℃時，估算的水流量滿足熱設計要求，且存在一定的裕量，此時進出口壓差約為3.57×104Pa，進出口水溫差約為9.3 ℃?？梢?，當設計變頻器所需工作壓強為0.3 MPa時，可滿足壓強要求。

（3）通過優化仿真分析可知，模塊間的間距最小約為10 mm，比原始模塊間距60 mm的結構更加緊湊，可進一步降低成本。