基于正交分析法的功率模塊散熱器的數(shù)值研究

賈艷玲，李華君，毛志云，王 艷

(許繼柔性輸電系統(tǒng)公司，河南 許昌461000)

0 引言

隨著技術(shù)的進步，風(fēng)電、光伏等新能源產(chǎn)業(yè)也向著大功率方向發(fā)展，大功率模塊得到越來越廣泛的應(yīng)用。由于電子技術(shù)的快速發(fā)展，功率模塊中的電子器件也向體積越來越小，功率密度越來越高發(fā)展，功率模塊的運行狀態(tài)直接影響整個系統(tǒng)的可靠性，因此有效地提高功率模塊的散熱是至關(guān)重要的問題［1，2］。一般來說，功率模塊的電子器件發(fā)熱量都很大，采用自身自然冷卻很難滿足散熱要求，這就需要加裝散熱器，采用強迫風(fēng)冷的方式來冷卻功率模塊。在尺寸一定的情況下，如何優(yōu)化選擇合適的散熱器，能達到最佳的散熱效果非常重要［3，4］。

本文研究的是SVG 的功率模塊，該模塊采用空氣強制對流，翅片式散熱器。結(jié)合整體的布置，風(fēng)速和風(fēng)向一定。散熱器的散熱效果主要受翅片厚度、高度、間距和傾角的影響，影響散熱器散熱能力的因素較多，很難采用理論或者實際試驗的方法判斷散熱器的散熱能力［5～7］。本文主要是在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，采用正交試驗的方法，分析各因素對散熱器的散熱效果的影響，得出最佳的散熱器選擇。

1 功率模塊的物理模型

根據(jù)實際柜子布置和需求，功率模塊散熱空間如圖1 所示，其中散熱器的尺寸為350 ×284 ×96 mm，為鋁制散熱器。y 軸正方向為冷卻介質(zhì)風(fēng)的入口，入口速度為8 m/s，y 軸負方向為出口。散熱器主要是對兩個IGBT 進行散熱，每個IGBT的熱量約為1 600 W。

圖1 功率模塊模型

2 正交試驗方法及其應(yīng)用

正交試驗方法是利用正交表來安排與分析多因素試驗的一種設(shè)計方法。它是從試驗因素的全部水平組合中，挑選部分有代表性的水平組合進行試驗，通過對這部分試驗結(jié)果的分析了解全面試驗的情況，找出最優(yōu)的水平組合［8，9］。可用相應(yīng)的極差分析方法、方差分析方法等對試驗結(jié)果進行分析得到很多有價值的結(jié)論。如:各因素對所考查指標影響的大小順序;主要因素與指標的關(guān)系等。

本文主要考慮散熱器的翅片厚度、長度、間距和角度等4 個因素對其散熱效果的影響，因此正交表確定為四因素的，而各因素水平數(shù)量的確定應(yīng)滿足正交試驗的原則，結(jié)合預(yù)試驗的分析，選取的四因素為三水平，各因素水平見表1。

表1 各因素水平

本文試驗中，采用L9(34)只需做9 次試驗就可以全面分析安排試驗，反應(yīng)出各因素與指標之間的關(guān)系，故本文選用L9(34)。

3 正交試驗及數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模擬結(jié)果

根據(jù)正交試驗的原理，采用數(shù)值模擬的方法，按表2 所安排的試驗方案進行模擬，得到的結(jié)果如圖2 所示。

3.2 正交試驗結(jié)果及分析

根據(jù)圖2 模擬結(jié)果，可以得到相應(yīng)的正交試驗結(jié)果見表2。最后用極差和方差分析方法對正交表進行分析，具體分析結(jié)果見表3。

表2 試驗方案和結(jié)果

圖2 IGBT 溫度分布圖

由表2 數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)以1，3，4 號試驗的IGBT表面溫度最低，達64 ℃，相應(yīng)的水平組合為(1．A:90°;B:4 mm;C:3 mm;D:70 mm。3．A:90°;B:8 mm;C:5 mm;D:90 mm。4．A:80°;B:4 mm;C:4 mm;D:90。)是在分析數(shù)據(jù)時IGBT表面溫度最低的3 種組合。但是這3 種組合表面高溫區(qū)域也存在一定的差異，1 號試驗的高溫度區(qū)域相對較小。在此分析中，諸因素對應(yīng)的影響有主次之分，這個主次關(guān)系可用極差(R)來表達(如表3)，A，B，C，D 4 個因素的極差分布為16，8，11，18，由此可以判斷它們對散熱效果的影響排序為D，A，C，B，即翅片高度、翅片傾斜角度、翅片間距、翅片厚度。

表3 IGBT表面最高溫度的極差分析和方差分析

表3 中，Ⅰj，Ⅱj，Ⅲj為“1”，“2”，“3”水平所對應(yīng)的試驗指標的數(shù)值之和;kk 為同一水平出現(xiàn)的次數(shù);Ⅰj/kj，Ⅱj/kj，Ⅲj/kj為“1”，“2”，“3”水平所對應(yīng)的試驗指標的平均值;R 為一組數(shù)據(jù)中最大值減去最小值的差值;Sj為偏差平方和

各因素對IGBT表面溫度高低的影響趨勢見圖3。從圖中可以看出:隨著翅片角度的減小，IGBT 的表面最高溫度逐漸升高，對于該翅片散熱器，翅片的角度為垂直時散熱效果最佳，此時冷卻介質(zhì)的流速最快，流通率最高。隨著翅片厚度的增加，最高溫度呈現(xiàn)一個先上升后稍微下降的趨勢，但是溫度最低點還是在翅片厚度稍薄的點，這是由于對于特定尺寸的散熱器，翅片的厚度越薄，散熱面積越大，散熱效果越好。

圖3 IGBT表面最高溫度隨各因素的變化趨勢

隨著翅片間距的增大，溫度越來越高，間距大的同時，雖然減少了風(fēng)阻，增大了風(fēng)的流速，但是大間距在一定程度上影響了翅片的數(shù)量，導(dǎo)致散熱面積的降低，從而使散熱效率下降。在結(jié)構(gòu)尺寸允許的條件下，翅片越長，散熱面積越大，這也促使低溫出現(xiàn)在翅片最長時。

根據(jù)分析結(jié)果可得到最優(yōu)組合為A1B1C1D4，即在垂直翅片下，翅片厚度為4 mm，翅片間距為3 mm，翅片長度為90 mm。圖2 中的最佳方案是在最優(yōu)組合下的溫度分布圖，可以得到IGBT表面最高溫度僅為58．5 ℃。

以上分析僅是在三水平下得到的，更小的翅片厚度和間距下的散熱效果，需要在今后的研究中進一步的分析和完善。

4 結(jié)論

(1)實際工程中，散熱器的尺寸可在一定范圍內(nèi)變化，分析可以得到散熱器翅片的傾斜角度、翅片厚度、翅片間距和長度是影響其散熱效果的主要因素。

(2)從正交分析可以發(fā)現(xiàn)，翅片的角度對于該類型的散熱器處于垂直的時候能夠達到最佳的散熱效果;散熱器尺寸一定時，翅片間距越小、翅片厚度越小的情況下能夠達到較好的散熱效果，從圖3 可以看出，當(dāng)散熱器的翅片厚度增大的多時，散熱器的散熱效果也有變好的趨勢。

(3)各因素對散熱效果影響的排序為翅片高度、翅片傾斜角度、翅片間距、翅片厚度，得到最優(yōu)的散熱器參數(shù)組合方式，這為實際工程中散熱器的選型提供了方便的分析方法和角度，也對散熱器的優(yōu)化和選型提出一種新的思路。

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