風冷功率閥塔的熱力性能仿真與測試分析

姜 波，邵 昌，惲強龍

（常州博瑞電力自動化設備有限公司，江蘇常州 213025）

0 引言

隨著電力電子技術的發展，半導體功率器件被廣泛應用于電力系統、電動汽車、軌道交通、光伏、儲能、風電等行業。由半導體功率器件（如SCR、IGBT、IGCT、IEGT等）構成的功率閥塔則是電能轉換和電路控制系統的關鍵設備[1-2]。

目前針對功率閥塔主流的冷卻技術方案主要分為風冷方案和水冷方案等。水冷方案的冷卻介質對水質要求高，且管路接口數量多，一旦發生滲漏，將影響設備運行。風冷方案冷卻主體為風機，風機可嵌入集裝箱或閥廳建筑物內，結構緊湊，占地面積小，即使因風道封裝不嚴密導致空氣泄漏，不會對功率器件的運行造成較大影響。

本文研究的功率閥塔采用風冷技術方案，由于功率閥塔內串并聯的功率器件閥模塊數量眾多，風冷系統存在空間結構差異，各功率器件閥模塊流過的風量必定不一致，一旦個別閥模塊風量低于設計值，功率器件的散熱效果將受到嚴重影響，進而影響半導體功率器件芯片的工作結溫，最終影響功率閥塔的正常運行。

因此，研究功率閥塔風冷系統各散熱器的風量分配不均勻度和熱力性能不平衡性，不僅可避免局部器件過熱，降低器件失效率，提升其運行熱可靠性，同時，能為閥塔的風冷散熱器和風機選型裕度設計系數提供合理的參考依據。

1 風冷系統理論分析

某集裝箱式功率閥塔風冷系統由百葉窗、離心風機、風冷散熱器、功率器件、風道等組成，如圖1所示。其中，左、右側分別縱向陣列布置3個功率閥組，呈對稱分布，標號分別為閥組①、閥組②、閥組③，每個功率閥組由8個風冷散熱器與7個功率器件交替串壓層疊而成，散熱器由上至下標號為H1~H8，散熱器H1陽極面標號為H(P)1，陰極面標號為H(N)1，以此類推，左、右側閥組中間布置匯合風道。依靠設置在集裝箱頂部的離心風機，在冷卻系統內部形成強迫對流，通過風冷散熱器對功率器件進行持續散熱，保證功率器件在安全可靠的溫度范圍內運行。

圖1 風冷系統

1.1 流阻分析

風冷系統的壓力損失，即流阻，主要包括兩部分：（1）沿程壓力損失，由空氣流經風道壁面時與壁面之間的摩擦損失引起的，也稱為靜壓損失；（2）局部壓力損失，由進、出風百葉窗、風冷散熱器以及流經彎頭、截面突變等處引起的，也稱為動壓損失。

沿程壓力損失Δpl可由下式計算：

式中：Δpl為沿程壓力損失，Pa；f為沿程阻力系數；l為風道長度，m；de為風道當量直徑，m；ρ為空氣密度，kg∕m3；v為空氣平均流速，m∕s。

對于光滑管道，其沿程阻力損失系數f只是雷諾數Re的函數，當空氣處于層流流動時，f=64∕Re；當空氣處于湍流流動，且Re≤105時，f=0.314Re0.25；當空氣處于湍流流動，且105＜Re＜106時，f=0.184Re0.2。

局部壓力損失可由下式計算：

式中：Δpc為局部壓力損失，Pa；ξ為局部阻力系數；ρ為空氣密度，kg∕m3；v為空氣平均流速，m∕s。

風冷系統流阻網絡分析如圖2所示。

表1 分支管局部阻力系數

圖2 風冷系統流阻網絡

整個流動過程壓力損失∑Δp為：

離心風機全壓PF為：

風冷系統進出口壓差為：

式中：Δpc-b為百葉窗流阻，Pa；Δpc-h為風冷散熱器流阻，Pa；PF為風機全壓，Pa；PsF為風機靜壓，Pa；Pd為風機動壓，Pa；Δpc為風道流向變化處局部阻力，Pa；Δpl為風道沿程阻力，Pa。

1.2 熱阻分析

功率閥組風冷系統熱傳遞過程中的熱阻主要分為3個部分：功率器件芯片（J）與外殼（C）之間的結殼熱阻RJC、外殼（C）與散熱器（H）之間的接觸熱阻RCH、散熱器（H）與外界環境（A）之間的散熱器熱阻RHA，單位均為℃∕W。其中，結殼熱阻RJC和接觸熱阻RCH可通過查詢功率器件的性能手冊獲得。

功率閥組熱阻網絡分析如圖3所示。

圖3 功率閥組熱阻網絡

功率閥組總熱阻R為：

散熱器熱阻RHA定義為：在熱平衡狀態下，散熱器臺面溫度和冷卻介質溫度之間的差值與產生這兩者間溫度差的耗散功率的比值：

式中：RHA為散熱器熱阻，℃∕W；Φ為功率器件的耗散功率，W；TH為散熱器臺面溫度，℃；TA為冷卻介質溫度，℃。

對于雙面風冷散熱器的陽極面分熱阻RHA（P）或陰極面分熱阻RHA（N），可由式（7）得到。此時，雙面風冷散熱器的熱阻可由式（8）計算得出。

式中：RHA（P）為散熱器陽極面熱阻，℃∕W；RHA（N）為散熱器陰極面熱阻，℃∕W；

2 器件性能測試

2.1 測試方法

散熱器測試平臺如圖4所示，在進風口設置風速儀和溫度計，用于測量進風風速v及進風溫度TA；在進、出風口設置壓力傳感器，用于測量散熱器的風阻Δpc-h；在散熱器表面布置熱電偶，用于測量散熱器表面溫度TH；對功率模塊施加直流電流模擬功率器件運行過程產生的耗散功率，測試風冷散熱器的熱阻RHA。

圖4 散熱器性能測試平臺

2.2 散熱器

散熱器處于風冷系統的核心位置，其熱力性能直接關系到系統散熱能力的大小，為降低散熱器的熱阻，提升散熱器的均溫性能，優化散熱條件，散熱器底部鑲嵌熱管。

對散熱器進行雙側模擬熱源加熱，模擬單個恒定功率熱源為990 W的功率器件，根據某功率器件結溫TJ的設計要求，風冷散熱器表面最高溫度TH與進風空氣溫度TA差值小于或等于50℃。

對散熱器進行不同風速v工況下進行測試。結果如圖5所示。

圖5 散熱器性能曲線

對上述散熱器測試的性能曲線進行函數方程擬合，其中，風速-流阻擬合方程：y=2.921 3x2+3.866 1x+5.530 5，R2=1；風速-熱阻擬合方程：y=0.000 4x2-0.008x+0.066 1，R2=0.998 5。

R2表示的是擬合優度，代表函數方程對測試值的擬合程度，R2的值越接近1，說明擬合程度越好。

2.3 百葉窗

為減少集裝箱式功率閥塔內部的電氣設備及相關器件受灰塵、潮氣等影響。百葉窗葉片采用S型結構，內部嵌入濾棉，空氣流動為非直線路徑，同時百葉窗后端加裝有濾塵網。如遇沙塵及降雨天氣，沙塵及雨水隨機碰撞葉片，將反彈往外流出，可有效抵御沙塵及雨水進入集裝箱內部，在滿足電氣設備的通風散熱要求下，具備較強的防塵、防水等功能。由于百葉窗內部的流道結構復雜，為便于對風冷系統的整體性能分析，對于百葉窗的流阻特性進行取樣測試，結果如圖6所示。

圖6 百葉窗風阻測試曲線

對百葉窗測試的風阻曲線進行函數方程擬合，y=19.983x2+24.531x；R2=0.998 7。

2.4 風機

根據風冷系統的流阻及熱阻特性進行理論計算及風機匹配選型，某型號離心風機風壓PF-風量Q性能曲線如圖7所示。

圖7 風機P F-Q性能曲線

對風機的性能曲線進行函數方程擬合，y=-264.03x4+679.22x3-567.25x2-36.026x+526.32；R2=0.997 9。

3 系統性能分析

風冷系統內各散熱器的風速分布標準差δv可用于表示散熱器的風速不均勻度[3-4]，風速標準差越小，說明各散熱器的風速差異越小，即風速不均勻性越不明顯，風速不均勻度公式定義如下：

式中：δv為冷卻系統各散熱器風速分配不均勻度；vi為散熱器的進風風速；n為散熱器個數；vˉ為各散熱器風速平均值。

同理，采用溫差標準差δT衡量風冷系統內各散熱器熱力性能的不平衡性，即：

式中：δT為冷卻系統各散熱器熱力性能不平衡性；Ti為散熱器的表面最高溫度；n為散熱器個數；Tˉ為各散熱器表面最高溫度平均值。

3.1 仿真結果與討論

為提升風冷系統整體仿真計算的精度，將散熱器的流阻Δpc-h和熱阻RHA測試曲線函數擬合方程、百葉窗的風阻Δpc-b測試曲線函數擬合方程、風機的PF-Q性能曲線函數擬合方程通過UDF（用戶自定義函數功能）加載入功率閥塔風冷系統仿真模型進行計算[5-7]。

圖8所示為集裝箱功率閥塔風冷系統的空氣流線圖，箱外空氣流經百葉窗，通過風冷散熱器冷卻功率器件，流出的熱空氣匯入中間風道，由離心風機排出箱外，形成散熱循環。整個集裝箱功率閥塔風冷系統內空氣流動順暢，流線分布合理，未出現渦流。

圖8 風冷系統空氣流線圖

圖9所示為功率閥塔風冷系統的溫度分布云圖，在環境溫度為20℃的工況下，整個系統內風冷散熱器表面最高溫度為62.13℃，滿足風冷散熱器表面最高溫度與進風空氣溫度差小于或等于50℃的設計要求。

圖9 風冷系統溫度云圖Fig.9 Temperature cloud diagramof coolingsystem

由于功率閥塔左、右側閥組對稱設計，故僅提取左側3個閥組各散熱器進口風速分布數據，由圖10可分析出，各閥組間風速分布趨勢基本一致，同一閥組中，各風冷散熱器間風速分布范圍3.85~4.35 m∕s，風冷系統各散熱器進口風速不均勻度在3.5%之內，各散熱器進口風速整體相對分布均勻。

圖10 風冷系統各散熱器進口風速仿真值分布

圖11所示為風冷系統各散熱器表面最高溫度分布，各閥組間散熱器表面溫度從高到低可排序為：閥組③＞閥組②＞閥組①，同一閥組中，隨著風冷散熱器層數的上升，即靠近風機，散熱器的表面溫度逐漸降低，各散熱器表面最高溫度分布范圍60.1~61.7℃，風冷系統各散熱器表面最高溫度不平衡度在0.76%之內，說明各散熱器的表面最高溫度較為接近，熱力性能一致性好。

圖11 風冷系統各散熱器表面最高溫度分布

3.2 試驗結果及分析

為更好地對比分析風冷系統各散熱器風速的分配情況及仿真結果的準確性，功率閥塔不帶電投入運行，僅啟動離心風機提供循環冷卻空氣，對上述冷卻系統中各散熱器進風風速進行多點測試[8]，取平均值，測試儀器采用熱式風速儀，測試精度0.1 m∕s。測試結果如圖12所示，各閥組間風速從高到低可排序為：閥組①＞閥組②＞閥組③，同一閥組中，隨著風冷散熱器層數的下降，即遠離風機，風冷散熱器所分配的風速呈波動下降趨勢，與仿真計算結果趨勢保持一致，各風冷散熱器間風速分布范圍3.65~4.2 m∕s，風冷系統各散熱器進口風速不均勻度在3.59%之內，各散熱器進口風速整體分布均勻。

圖12 風冷系統各散熱器進口風速測試值分布

為驗證功率閥塔風冷系統的熱力性能，對功率閥塔進行帶電運行試驗，測試環境溫度18℃，相對濕度75%，3臺風機均額定轉速運行，功率閥塔進行升壓、升流至額定工況進行試驗，采用紅外測溫儀進行測溫，圖13所示為功率閥組的紅外測溫圖。

圖13 風冷系統各閥組散熱器溫度分布

對閥組①進行整體紅外測溫，風冷散熱器最高溫度為57.2℃；對閥組③散熱器H7、H8處進行局部測溫，最高溫度為62.8℃。綜合分析，試驗結果與仿真計算結果具有較好的一致性，可為類似風冷系統設計提供參考。

4 結束語

本文針對功率閥塔風冷系統進行流阻及熱阻的理論分析，對影響風冷系統熱力性能的關鍵部件——風冷散熱器、百葉窗進行性能測試。為提升系統級的仿真精度，通過UDF（用戶自定義函數功能）加載風冷散熱器、百葉窗、風機性能測試曲線擬合函數方程，進行功率閥塔風冷系統仿真計算，并與測試值進行對比分析，得到各風冷散熱器間進口風速仿真值分布范圍3.85~4.35 m∕s，風速不均勻度在3.5%之內；對各散熱器進風風速進行測試驗證，風速測試值分布范圍3.65~4.2 m∕s，風速不均勻度在3.59%之內，風速仿真值與測試值差值為0.09%，各散熱器進口風速相對分布均勻。對功率閥塔閥組進行紅外測溫，閥組①風冷散熱器最高溫度為57.2℃，閥組③散熱器H7、H8處局部溫度最高為62.8℃，與各散熱器表面最高溫度仿真值分布范圍60.1~61.7℃基本一致，說明功率閥塔各散熱器的熱力性能較為一致。風速及溫度仿真值與測試值分布總體吻合度較好，驗證了仿真計算方法的準確度，可用于后續類似風冷冷卻系統研究設計借鑒。