摘要：该文提出一种液冷板设计方案，用于高功率密度IGBT模块散热。通过理论计算，求得对流换热系数，并建立换热量与液冷板内部流道长度的关系，获得满足散热需求时的流道长度。采用Flotherm仿真软件搭建冷板模型，进行仿真比较，并实验验证该文设计方法的可行性。
关键词：换热系数；冷板；Flotherm建模
0引言
IGBT模块工作过程中产生功率损耗，引起发热，温度上升，其温升大小与功率器件内损耗大小、芯片到环境的传热结构、材料和环境温度以及冷却方式等有关。当发热量和散热量一致时，器件达到稳定温升，处于均衡状态，即稳态。器件的芯片温度不论在稳态，还是在瞬态，都不允许超过器件的最高允许工作温度，否则，将引起器件电或热的不稳定而导致器件失效。因此采取必要的合适的IGBT散热措施十分重要。
该文提出一种IGBT模块液冷散热方式，即在充电装置内部仅通过液冷管道，使其中的液体介质在模块内部吸热并输送至模块外部进行热交换。
1冷板设计
本设计拟采用液冷板对3个IGBT模块散热，每个IGBT模块的热功耗约为440W，总发热功耗约为1320W。液冷板散热目标为冷板表面最高温度不超过80℃。
冷板与IGBT热源构成3D模型如图1所示。
图1模型图
1.1冷却液流量计算
总功率：P总功率=1320w=1320J/s
稳态时：Q总发热量=P总功率×ΔT=Q吸收
求得：q流入=
≈7.08L/min
ΔT为冷却液温升，取值ΔT≤3℃。
1.2流道长度计算
基于以上条件计算求得，2320<Re<10000、1.5<Rr<500、0.05< 
<20，其流态为过渡流状态，故：
Nμ=0.012（Re0.37-200）Pr0.4.
迭代求得换热功率与流道长度关系函数：
P换热功率=953.55L+49.98L
式中L为液冷板内部流道长度，当换热功率为1320W时，流长度约为1.33m。
1.3仿真分析
利用Flotherm仿真软件搭建液冷板模型，建模参数如表1所示。
表1 建模参数
通过Flotherm仿真液冷板以及模块表面温度云图如图2所示。
图2 温度云图
仿真结果分析
冷板表面的最高温度为79.1℃，最低温度为70℃；IGBT热源最高温度80.3摄氏度，最低温度为74.8℃；流道出口温度为46.9℃.
当冷板表面温度不高于80℃时，即可认为满足系统散热需求，故流道长度在1.33左右已经满足散热需求。
2实验验证
实验运行条件为：整流模块功率为120kW、直流母线电压为DC630V、环境温度为35℃，液冷板内部流道长度约为1.5米。
运行稳定后实测IGBT模块表面与冷板表面温度如表3所示。
表2 实测温度
3总结
该文设计方法，可满足IGBT散热需求，亦可在液冷板设计过程中，提高冷板散热仿真效果与实测效果的吻合度，避免多次冷板打样重复测试，从而节省了成本、提高了工作效率。
参考文献
[1]杨雄鹏,张磊,曹伦,等.IGBT用水冷板式散热器的数值模拟[J].电子机械工程,2014,30(2):43-45.
[2]李超,徐志书,姜迪开.基于Flotherm的大功率IGBT散热器设计与仿真[J].现代机械,2017,(3):60-63.
作者简介
陶正华(1987-)，男，硕士，工程师，研究方向电力电子与电力传动(E-mail：taozhenghua@sgepri.sgcc.com.cn)；
雷磊(1986-)，男，硕士，工程师，研究方向电力电子与电力传动(E-mail：leilei@sgepri.sgcc.com.cn)；
论文作者:陶正华,雷磊
论文发表刊物:《电力设备》2019年第13期
论文发表时间:2019/11/12
标签：冷板论文; 模块论文; 道长论文; 功率论文; 器件论文; 冷却液论文; 所示论文; 《电力设备》2019年第13期论文;