機(jī)車變流裝置功率模塊的傳熱特性數(shù)值研究

李莎，宋智龍，余以正

(1.中車永濟(jì)電機(jī)有限公司，陜西 西安 710016;2.中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春130000)*

隨著我國鐵路的高速發(fā)展，變流裝置已經(jīng)成為鐵路機(jī)車交流傳動系統(tǒng)的最重要部分之一.機(jī)車變流裝置功率模塊(含有IGBT、二極管等電力電子開關(guān)器件)作為機(jī)車中能源變換與傳輸?shù)暮诵钠骷?，近年來由于開關(guān)頻率的提高及開關(guān)容量的增加，導(dǎo)致其正常工作下發(fā)熱量及溫度急劇上升，由此嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的質(zhì)量及可靠性［1］.為解決機(jī)車變流裝置功率模塊的過量發(fā)熱問題，使其能夠更好地發(fā)揮應(yīng)有的作用，必須采取措施對功率模塊開關(guān)器件進(jìn)行冷卻以提高使用效率.

當(dāng)功率模塊封裝外殼溫度超過80℃時(shí)，其內(nèi)部的結(jié)點(diǎn)溫度就很可能大于120℃，這使得變流裝置中功率模塊的失效率高達(dá)95%［2］.只有保證其封裝外殼溫度低于80℃的條件下運(yùn)行，才能保證功率模塊的正常運(yùn)行［3］.Peters等人［4］運(yùn)用環(huán)狀熱管空氣冷卻散熱器對大功率模塊的進(jìn)行冷卻研究，結(jié)果顯示具有較好的散熱效果.Ester等人［5］采用自由射流和高壓噴霧的方法對功率模塊進(jìn)行冷卻實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果顯示高壓噴霧對于模塊的散熱有著較好的效果.張龍燕等［6］采用數(shù)值模擬方法對大功率變流裝置功率模塊進(jìn)行了仿真分析，事實(shí)證明了液冷板對功率模塊散熱設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性及可行性.

本文在HXD3C型機(jī)車變流裝置功率模塊(以下簡稱，HXD3C型功率模塊)對冷卻系統(tǒng)影響研究的基礎(chǔ)上［7］，采用空-水冷實(shí)驗(yàn)方法分析對比HXD2C型和HXD3C型功率模塊對冷卻系統(tǒng)的影響，同時(shí)也為以后機(jī)車變流裝置功率模塊的熱設(shè)計(jì)提供指導(dǎo).

1 幾何模型及數(shù)學(xué)描述

1.1 研究對象

本文的研究對象是基于HXD2C型機(jī)車變流裝置中的功率模塊(以下簡稱HXD2C型功率模塊)，有別于HXD3C型機(jī)車變流裝置功率模塊(以下簡稱HXD3C型功率模塊)布置數(shù)7個(gè)，HXD2C型功率模塊布置數(shù)為8個(gè)，其工作原理采用FWD芯片實(shí)現(xiàn)AC-DC-AC(交-直-交)電力電子變換，為列車牽引或回饋制動實(shí)現(xiàn)電力能源變換和驅(qū)動控制.變流裝置功率模塊采用4 500 V/1 200 A，開關(guān)頻率550 Hz.總體包括牽引四象限功率模塊、牽引逆變+斬波功率模塊、輔助四象限功率模塊和輔助逆變功率模塊四部分，根據(jù)可靠參數(shù)，牽引四象限功率模塊功耗為15.408 kW;牽引逆變+斬波功率模塊功耗為13.055 kW;輔助四象限功率模塊功耗為4.3 kW;輔助逆變功率模塊功耗為3.7 kW.因此，IGBT的總功率損耗為36.463 kW.

圖1為機(jī)車變流裝置冷卻系統(tǒng)示意圖.機(jī)車?yán)鋮s系統(tǒng)較為統(tǒng)一化，其主要構(gòu)成為:冷卻基板、換熱器、水泵、冷卻風(fēng)機(jī)等主要部件，同時(shí)還配備了溫度、壓力傳感器監(jiān)測系統(tǒng)正常工作.實(shí)驗(yàn)原理為:功率模塊布置在水冷基板上，且一個(gè)功率模塊對應(yīng)一個(gè)水冷基板，當(dāng)其工作時(shí)會將產(chǎn)生的熱量傳遞給冷卻基板，再由冷卻基板與冷卻水進(jìn)行熱量交換;水泵作為冷卻水的循環(huán)動力，將升溫后的冷卻水輸送至換熱器中，通過換熱器上方冷卻風(fēng)機(jī)對換熱器強(qiáng)制風(fēng)冷，然后由水泵將換熱器流出的水從水分配器抽出，循環(huán)以上過程構(gòu)成完整的水循環(huán)通道.

圖1 機(jī)車變流裝置冷卻系統(tǒng)示意圖

圖2 為HXD2C型機(jī)車變流裝置冷卻循環(huán)系統(tǒng)簡易計(jì)算模型，計(jì)算模型由8個(gè)水冷基板、水泵與換熱器組成系統(tǒng)的熱循環(huán).

圖2 HXD2C型機(jī)車變流裝置冷卻循環(huán)系統(tǒng)簡易計(jì)算模型

1.2 研究對象的數(shù)學(xué)描述

針對機(jī)車變流裝置冷卻系統(tǒng)實(shí)際的熱循環(huán)過程，需要對計(jì)算模型做出了以下假設(shè):

(1)忽略實(shí)際情況中管路與空氣的換熱;

(2)系統(tǒng)的壓降只計(jì)算水冷基板和換熱器水側(cè)，忽略其管道帶來的壓損和換熱器空氣側(cè)壓降;

(3)流體物性為定值且為不可壓縮流體，在流動過程中忽略粘性耗散.

基于上述簡化假設(shè)，計(jì)算區(qū)域流體流動和傳熱的基本控制方程表示如下:

式中:ui為速度分量，ρ為流體密度，μ為動力粘度，p為壓力，cp為定壓比熱容，λ為導(dǎo)熱系數(shù).

1.3 傳熱及流動參數(shù)定義

流體雷諾數(shù)及普朗特?cái)?shù)定義:

壓力損失［8］定義:

式中，ν為流體的運(yùn)動粘度，ρ1、ρ2、ρm為流體進(jìn)口、出口和平均密度，σ為有效自由流動面積與流體迎面面積之比，f為摩擦因子，Kc、Ke為進(jìn)口和出口的壓力損失系數(shù)，是關(guān)于σ、Re的函數(shù).

式中:Qtotal為計(jì)算傳熱量;K為總傳熱系數(shù);A為散熱面積;ΔT為換熱器的平均溫度差;Qw、Qa為水側(cè)及空氣側(cè)放熱量;cpw、cpa為水及空氣的比熱;Vw、Va為水及空氣的流量;ΔTw、ΔTa為水及空氣的進(jìn)出口溫差.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析之前，需要對其準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證.本文通過自編程序?qū)XD2C型功率模塊傳熱特性進(jìn)行了數(shù)值分析，選取程序中與實(shí)驗(yàn)對應(yīng)的6個(gè)測試點(diǎn)的相關(guān)物理量進(jìn)行數(shù)據(jù)對比，如圖3所示，HXD2C型功率模塊水側(cè)進(jìn)口溫度(如圖3(a))實(shí)驗(yàn)數(shù)值的最大誤差為2.35%，HXD2C型功率模塊空氣側(cè)出口溫度(如圖3(b))實(shí)驗(yàn)數(shù)值的最大誤差為4.63%，并且HXD2C型功率模塊實(shí)驗(yàn)數(shù)值的總換熱量(如圖3(c))最大誤差不超過11.38%.由以上結(jié)果可知本文針?biāo)捎玫膶?shí)驗(yàn)方法是可靠的.

圖3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值結(jié)果的對比

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比分析

3.1 水泵流量Ql

在兩種功率模塊水冷基板進(jìn)口溫度、空氣側(cè)進(jìn)口溫度、風(fēng)機(jī)流量相同的情況下，調(diào)節(jié)水泵流量Ql分析其對兩種功率模塊傳熱特性的影響.

由圖4可知，隨著流量Ql增大，兩種功率模塊換熱器空氣側(cè)出口溫度和水冷基板出口溫度變化趨勢均一致，且HXD3C型功率模塊水冷基板及空氣側(cè)出口溫度均略高于HXD2C型功率模塊，兩者水冷基板出口溫度Tout相差最大不超過1℃，換熱器空氣側(cè)出口溫度 Taout最大不超過2℃;隨著Ql增大，HXD2C型功率模塊總換熱量Qtotal明顯高于HXD3C型功率模塊的總換熱量，表明HXD2C型功率模塊較HXD3C型功率模塊被帶走熱量更多，其換熱效果明顯更強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明HXD2C型功率模塊比HXD3C型功率模塊換熱效率最大高出7.2%.

圖4 水泵流量Ql變化對HXD2C型與HXD3C型功率模塊溫度及總換熱量的影響

3.2 冷卻風(fēng)機(jī)流量Qa

在兩種功率模塊水冷基板進(jìn)口溫度、空氣側(cè)進(jìn)口溫度、水泵流量相同的情況下，調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)機(jī)流量Qa分析對兩種功率模塊傳熱特性的影響.

如圖5所示，隨著Qa增大，兩種功率模塊換熱器空氣側(cè)出口溫度和水冷基板出口溫度變化趨勢均一致，HXD3C型功率模塊水冷基板以及空氣側(cè)出口溫度均略高于HXD2C型功率模塊，兩種功率模塊的水冷基板出口溫度Tout相差最大不超過2℃，換熱器空氣側(cè)出口水溫 Taout最大不超過1℃;隨著Qa增大，兩套功率模塊總換熱量Qtotal增大，且HXD3C型功率模塊總換熱量Qtotal增大幅度高于HXD2C型功率模塊，這表明隨著Qa增大，HXD3C型功率模塊較HXD2C型功率模塊換熱效果更強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明HXD3C型功率模塊較HXD2C型功率模塊換熱效率最大高出5.8%.

圖5 冷卻風(fēng)機(jī)流量Qa變化對HXD2C型與HXD3C型功率模塊溫度及總換熱量的影響

3.3 水冷基板進(jìn)口溫度Tpin

在兩種功率模塊水泵流量、空氣側(cè)進(jìn)口溫度、風(fēng)機(jī)流量相同的情況下，改變水冷基板進(jìn)口溫度Tpin分析對兩種功率模塊傳熱特性的影響.

如圖6所示，隨著 Tpin升高，HXD2C與HXD3C型功率模塊的水冷基板出口溫度Tout相差很小，HXD3C型功率模塊的換熱器空氣側(cè)出口水溫Taout高于HXD2C型功率模塊;在其他條件不變的情況下，Tpin＜56℃時(shí)，HXD2C型冷卻系統(tǒng)總換熱量均高于HXD3C型功率模塊的總換熱量;Tpin＞56℃時(shí)，HXD3C型功率模塊總換熱量高于HXD2C型功率模塊的總換熱量，但是整體上HXD3C與HXD2C功率模塊總體換熱量Qtotal相差不多，兩種功率模塊換熱效率最大不超過±1.8%.圖6 水冷基板進(jìn)口溫度Tpin變化對HXD2C型與HXD3C型功率模塊溫度和總換熱量的影響

3.4 換熱器空氣側(cè)進(jìn)口溫度Tain

在兩種功率模塊水冷基板進(jìn)口溫度、水泵流量、風(fēng)機(jī)流量相同的情況下，改變換熱器空氣側(cè)進(jìn)口溫度Tain分析對兩種功率模塊傳熱特性的影響.

由圖7可知，隨著Tain升高，HXD3C與HXD2C功率模塊水冷基板出口溫度降低，且兩者相差不大;HXD3C與HXD2C功率模塊換熱器水側(cè)出口溫度降低，HXD3C型較HXD2C型功率模塊換熱器水側(cè)出口溫度較高;從圖中可知，HXD2C與HXD3C型功率模塊總換熱量Qtotal急劇減小，這是由于環(huán)境溫度的升高導(dǎo)致其功率模塊換熱效果變差，但是整體上HXD3C與HXD2C功率模塊總換熱量Qtotal相差不多，換熱效率最大不超過±2%.

圖7 換熱器空氣側(cè)進(jìn)口溫度Ta in變化對HXD2C型與HXD3C型功率模塊溫度和總換熱量的影響

3.5 系統(tǒng)總換熱量不變的情況下，水泵流量變化

在冷卻風(fēng)機(jī)流量6.5 m3/s，空氣側(cè)進(jìn)口溫度42℃時(shí)，總換熱量不變的前提下水泵流量10～14 m3/h變化與換熱特性的關(guān)系，如圖8所示.由圖得知，冷卻系統(tǒng)的液側(cè)流量Qpl增加，HXD2C型與HXD3C型系統(tǒng)中水冷基板的進(jìn)出口溫度同時(shí)下降，HXD3C型水冷基板進(jìn)出口溫度均高于HXD2C型.

圖8 HXD2C型與HXD3C型冷卻系統(tǒng)總熱量不變時(shí)，水泵流量變化對其換熱特性的影響

3.6 系統(tǒng)總換熱量不變的情況下，水冷基板進(jìn)口溫度變化

在兩種功率模塊冷卻風(fēng)機(jī)流量、空氣側(cè)進(jìn)口溫度以及總換熱量不變的前提下，改變水冷基板進(jìn)口溫度Tpin分析變化與換熱特性的關(guān)系，如圖9所示.由此可以得知，總換熱量不變的前提下，水冷基板進(jìn)口溫度Tpin增加時(shí)，需帶走等量的熱量，所需冷卻液流量減小，尤其HXD2C型冷卻系統(tǒng)所需流量Ql高于HXD3C型的流量，同時(shí)伴隨水冷基板出口溫度Tpout的增加，但HXD2C型的水冷基板出口溫度Tpout均低于HXD3C型的出口溫度.

圖9 HXD2C型與HXD3C型冷卻系統(tǒng)總熱量不變時(shí)，水冷基板進(jìn)口溫度的變化對傳熱特性的影響

4 結(jié)論

本文通過實(shí)驗(yàn)方法研究水泵流量、冷卻風(fēng)機(jī)流量、水冷基板進(jìn)口溫度以及換熱器空氣側(cè)進(jìn)口溫度的改變對HXD2C型及HXD3C型兩種功率模塊的傳熱特性進(jìn)行了對比分析，結(jié)果表明:

(1)通過對兩種功率模塊的對比，水泵流量對HXD2C型功率模塊的換熱能力貢獻(xiàn)更大，換熱能力差距最大達(dá)7.2%;而在研究冷卻風(fēng)機(jī)對兩者的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，冷卻風(fēng)機(jī)流量對HXD3C型功率模塊的換熱能力貢獻(xiàn)更大，換熱能力差距最大達(dá)5.8%;

(2)水冷基板進(jìn)口溫度以及換熱器空氣側(cè)進(jìn)口溫度對于HXD2C型功率模塊與HXD3C型功率模塊的換熱貢獻(xiàn)并不是很大，最大相差不超過±2%;

(3)通過對兩種不同機(jī)車變流裝置功率模塊的跟車實(shí)驗(yàn)，確定了影響兩種不同功率模塊傳熱特性的主要因素，為以后機(jī)車變流裝置功率模塊的熱設(shè)計(jì)應(yīng)用研究提供指導(dǎo).