基于Flotherm分析的光伏逆變器的散熱設計

摘要：以小功率光伏逆變器的散熱設計為例，首先提出了Flotherm軟件仿真的基本思想和基本理論，介紹了散熱器優化設計和整機系統熱仿真分析，包括多方案篩選優化。通過計算流體動力學(CFD)數值仿真，與工程樣機實測數據進行對比，分析評估完全滿足工程設計要求，達到了產品可靠性設計的目的。同時介紹了海拔對散熱的影響和修正，較好地驗證了基于Flotherm軟件分析的電力電子設備散熱設計的優勢和可靠度。
關鍵詞：逆變器；熱分析；熱阻；結溫

1 引言
小功率光伏逆變器是小型電力電子設備的典型代表，IGBT模塊作為逆變器的核心器件，在運行過程中會產生大量的熱，約有1％～1．5％的有功功率轉化為熱能，這部分熱量會使其內部集成的功率器件管芯發熱、結溫升高。若不能及時、有效地將此熱量釋放，就會降低系統可靠性，甚至損壞器件。在電力電子產品小型化趨勢下，IGBT模塊在有限空間的散熱設計成為小型光伏逆變器散熱設計的核心，同時系統方案還要兼顧熱敏感器件的溫升，這就需對散熱方案進行全方位評估。
這里通過Flotherm軟件對小功率光伏逆變器進行系統級熱分析和多方案篩選，對比仿真數據與工程樣機實測數據，驗證了基于Flotherm分析的電力電子設備散熱設計的可行性與可靠度。

2 仿真原理與方案設計
Flotherm是一款強大的三維CFD軟件，CFD的仿真軟件基本思想是將原來在時間域和空間域上連續的物理量的場，用有限個離散點上的變量值集合來代替，通過一定原則建立起關于這些離散點上場變量間關系的代數方程組，進行求解后獲得場變量的近似值。熱設計問題本質在于定量描述熱現象，小功率電力電子設備的散熱設計可通過湍流模型描述。CFD仿真基本理論為：小型電子電子設備的散熱設計屬于不可壓縮、常物性、無內熱源的三維對流傳熱問題，結合傳熱學和流體動力學基本理論，得出描述該問題的微分方程組。
質量守恒方程為：

式中：u，v，w是速度矢量V在直角坐標系x，y，z方向上的分量；μ為流體的粘性系數；p為流體微團所在處的靜壓力；Fx，Fy，Fz是體積力在x，y，z方向上的分量；
能量守恒方程為：

式中：λ為流體的導熱系數；cp為流體的定壓比熱容。
動量守恒、質量守恒方程是描寫粘性流體過程的控制方程，適用于不可壓縮粘性流體的層流及湍流流動。
Flotherm軟件中的Command Center模塊采用了多目標優化算法，是一種在多個變量參數中確定最佳方案的途徑。為避免優化設計中出現局部最優代替全局最優，軟件引入了代價函數：
f=W1R1+W2R2+KWNRN (4)
式中：W為代價權重；R為目標輸出變量。
輸入變量通常為一定范圍內的離散或連續值，由這些數據可形成數量可觀的輸入變量組合，每一個輸入變量組合對應一個實驗。IGBT散熱器優化方案就是通過Command Center模塊實現的。
以上介紹了Flotherm的仿真原理，對于一個實際換熱問題，借助Flotherm實現仿真的前提是獲取物理模型參數，例如模型外形尺寸、關鍵器件尺寸、熱耗分布、接觸熱阻、材料屬性等。
對小功率光伏逆變器的物理模型參數做如下說明：①邊界條件：環境溫度60℃，標準大氣壓，氣流狀態為紊流，系統求解域定義為箱體體積的36倍。系統求解的迭代次數設為500次；②主要尺寸參數：機箱幾何尺寸750x540x380 mm，IGBT模塊熱源尺寸31．5x68．4×10 am，電抗器尺寸71x71x25 mm；③材料參數：本系統共涉及5種材料Steel(Mild)，Copper(Pure)，Aluminum-6061，Silicon Carbide(Typical)，Ty pical Chip Array；其結構模型如圖1所示。主要由直流輸入模塊、升壓模塊、逆變模塊和交流輸出模塊組成。主要熱耗點為分布于圖1所示的升壓和逆變PCB下端的A，B，C，D，E 5個IGBT模塊及位于機箱背部編號為1～7的7個電感。箱體中各單板或模塊上所有功耗器件的型號、熱耗、最大殼溫等參數如表1所示。

根據箱體預留散熱器空間大小，確定散熱器空間最大尺寸為450x200x90 mm。散熱器功率P=600 W，根據工程經驗，基板厚度a=7lg-6，a最小值為2mm。P=600 W時，a=13．447mm，取a=14mm。根據風速初步估計，選取肋間距為6 mm。依據散熱器空間高度尺寸及a，選取肋高為50 mm。基板寬度200 mm，肋片厚度取4 mm，可估算肋片數為20。散熱器材質為Aluminum-6061，導熱系數為180 W／(m·K)。