高壓變頻器精細化熱仿真方法研究

于大鵬，黃啟釗，孫保濤，羅冬

（中車時代電氣株洲變流技術國家工程研究中心有限公司，株洲 412001）

引言

高壓變頻器核心部件IGBT與變壓器均存在一定溫度要求，在電子器件的安全工作溫度范圍內盡量提高功率，或是在額定功率內盡量減小散熱成本，是提高產品競爭力必須解決的問題。針對此問題最直接的解決方法是通過試驗進行評估分析，但大功率電力電子設備的功率負載試驗門檻過高，需要耗費大量資源。隨著計算機產業的發展，基于三維建模的CFD熱仿真方法日趨成熟。目前主要有Fluent、CFD軟件、Comsol、FloTHERM、Abaqus等多種仿真軟件，低成本、易修正、直觀性等優點使計算機熱仿真軟件在電力電子領域得到廣泛應用，使用熱仿真軟件進行熱仿真分析，能夠有效降低高壓變頻器的設計成本與實驗成本。

針對于熱仿真方法在工業變流與變頻領域的應用，大量學者進行了相關研究：康守軍[1]借助Icepak對上海新時達電氣研發的12 MW超大功率高壓變頻器的熱管單元溫升、系統風量進行了數值仿真計算，并與實驗結果進行對比，驗證了仿真的可靠性；代書鵑[2]對Icepak中的部分湍流方程進行了理論對比分析，同時利用Icepak對水冷高頻變壓器系統進行了流場與溫度場三維數值模擬計算，驗證了湍流方程的準確性；劉博陽等人[3]使用FloTHERM對地鐵輔助變流器進行了熱仿真計算，將仿真結果與實驗結果進行對比分析，證明了熱仿真方法對變流器發熱情況分析的準確性；張英峰等人[4]對高壓變頻器風機的風量關于海拔的影響進行了仿真研究，得到各海拔下的風量；王嬌等人[5]通過熱仿真計算出高壓變頻器功率模塊內部二極管及IGBT的溫升。以上研究在風冷高壓變頻器的熱仿真研究中未進行關于湍流方程[7]的橫向分析，本研究將彌補此空缺，對比9種湍流方程對于高壓變頻器、模塊、器件的熱仿真的適用性。

本研究將使用不同湍流方程對高壓變頻器及內部模塊、風冷散熱器進行熱仿真計算，分析流場、溫度場計算結果，并通過搭建風洞試驗臺驗證散熱流阻曲線，對高壓變頻器進行功率負載試驗，對比溫升、風量測量結果以驗證仿真計算方法的準確性，列出了基于高壓變頻器相關熱仿真的推薦湍流方程。同時結合試驗結果對高壓變頻器結構提出了散熱優化建議。

1 仿真方法

1.1 湍流模型

高壓變頻器內結構復雜，工作時柜內流場多為湍流流動，在進行仿真計算時選擇合適的湍流方程至關重要。本文選用的CFD軟件中包含9種湍流方程，Zero方程是湍流平均運動方程和連續性方程組成的方程組，對于復雜流動很難準確的給出混合長度；Two方程允許通過求解兩個獨立的輸運方程來確定湍流長度和時間尺度；RNG方程提供了一個考慮低雷諾數流動粘性的解析公式，這些公式的作用取決于正確的對待近壁區域；Salart-Allmaras方程是一種低雷諾數模型，常用湍動能K方程做湍流特征量；Realizable two方程為湍流粘性增加了一個公式，對于平板和圓柱射流的發散比率的更精確的預測；K-Omega SST方程基于SST模型改進，考慮了湍流剪切應力的傳輸；Enhanced two equation、Enhanced RNG和Enhanced realizable two equation這三種湍流模型是采用增強壁面處理，此處理方法不依賴于壁面法則，很適合應用于復雜流動。

1.2 模型搭建

為得到精確的熱仿真結果，同時考慮在有限的計算資源條件下仿真可行性，本研究首先對散熱器進行熱仿真，獲得散熱器流阻曲線，同時搭建風洞實驗臺測得濾網、網板、散熱器的流阻曲線并校驗仿真結果。IGBT器件的結溫需重點關注，本研究按IGBT內部芯片及焊層實際尺寸搭建實體模型。變壓器及模塊內部主要器件及IGBT各層結構材料屬性如表1所示。

表1 材料屬性

1.3 損耗計算

高壓變頻器柜內損耗主要包括功率模塊、變壓器以及其他損耗。其中功率模塊的損耗主要產生于IGBT、整流二極管、支撐電容、母排等。本研究模塊中使用的IGBT與整流二極管均為英飛凌生產，IGBT與整流二極管的損耗通過廠商官網的在線仿真計算工具計算得到。通過廠商提供的產品手冊查得模塊中支撐電容等效電阻，計算得到損耗。

變壓器損耗分為鐵損和銅損，通過供應商提供的技術手冊中查得額定工況下的鐵損和銅損。根據線圈和鐵芯建模的各部分Block模塊的體積分數進行損耗分配。柜內其他損耗還包括電纜、母排等組件，共1380 W，柜內損耗匯總如表2所示。

表2 高壓變頻器柜內損耗匯總

1.4 網格劃分

功率模塊中的IGBT內部結構主要包含芯片、基板、陶瓷基板等部分，芯片在厚度方向最小尺寸只有0.2 mm，因此需對IGBT模型單獨建立Assembly進行局部網格劃分。IGBT所在Assembly最大網格尺寸為1 mm，最小網格間隙設置為0.5 mm；模塊整體網格劃分的最大網格尺寸設置為5 mm，最小網格間隙設置為1 mm。允許系統捕捉并改變最小網格間隙。高壓變頻器內部框架因電纜走線存在多處漏風點，在簡化模型時需等效考慮漏風點漏風面積和位置，同時對于結構復雜的變壓器的網格需要進行局部網格加密，同時對變壓器線圈、圍筒模型設置多級網格劃分。

2 試驗及仿真結果

本研究分別使用不同湍流方程對高壓變頻器及功率模塊進行穩態熱仿真計算，環境溫度設置為45 ℃，整柜仿真時打開輻射換熱計算，總迭代步數設置為1000步，并行求解。

2.1 流阻曲線

本研究中高壓變頻器的過濾網板為過濾棉與腰孔網板組合而成，過濾棉為40 ppi發泡型；模塊散熱器為直肋型材散熱器，肋片厚度2 mm。搭建風洞試驗臺測量散熱器與過濾網板的流阻曲線，在仿真建模時將測量值寫入相應模型。

2.2 高壓變頻器功率試驗結果

如圖1所示搭建功率試驗臺對高壓變頻器進行功率負載溫升試驗，在模塊內部布置溫度探頭，監測點1、2為支撐電容表面；3、5為二極管內側的散熱器表面整流；4、6為IGBT端子側的散熱器表面。變壓器通過粘貼溫度試紙檢測各部位溫度，同時在IGBT的基板對應芯片的位置布置光纖溫度探頭，監測芯片底部基板溫度。

圖1 高壓變頻器功率試驗臺及溫度探頭布置點位

高壓變頻器溫升試驗各監測點位溫度如表3所示。

表3 高壓變頻器功率溫升試驗結果

高壓變頻器分為模塊腔和變壓器腔，兩腔各有12和4個過濾網板，將每個過濾網板劃分為2列5行共10個測點，使用風速測量儀讀出每個測點的風速取平均值，結果如表4所示。

表4 風速測量結果

2.3 功率模塊熱仿真

使用不同湍流方程對功率模塊進行熱仿真，各方程計算所得散熱器壓損、溫升結果與實驗測量對比圖2所示。

圖2 湍流方程仿真結果對比（功率模塊）

計算各湍流方程的各仿真計算值與試驗測量值的歐氏距離，對比分析各湍流方程仿真結果與試驗值的誤差，歐氏距離值越小代表兩種數據越相似。

各湍流方程計算結果的散熱器流阻曲線、監測點溫升的歐幾里得距離如表5所示。

表5 仿真值與試驗值的歐氏距離（模塊熱仿真）

由上述仿真及實驗結果可得出結論：針對于高壓變頻器的模塊熱仿真，Zero、Two、Enhanced RNG方程溫升仿真存在較大誤差；對于散熱器壓損仿真，Enhanced two、Enhanced RNG、Enhanced realizable two、K-Omega均有良好的結果，與實驗測量結果誤差較小。

2.4 整柜熱仿真

初步熱仿真計算發現風機工作點與試驗測量結果有較大偏差，經對實際產品進行觀察發現模塊與風道側板貼合不緊，在離心風機運行時側板有較大變形，使漏風面積增大。

修正高壓變頻器仿真模型后，設置仿真環境溫度45 ℃，進行穩態溫度場-流場耦合熱仿真計算。基于各湍流方程的高壓變頻器整柜尺度的溫升與空氣流量的歐式距離如表6所示。

表6 仿真值與試驗值的歐氏距離（高壓變頻器）

Zero、Spalart-Allmarars方程對于整柜尺度的熱仿真有較大偏差，其他方程均能夠較為準確地描述物理規律，其中Enhanced realizable two、K-Omega表現最好。同時值得注意的是增強型方程對于網格質量較高，整柜尺度的熱仿真通常網格數量很多，需要占用更多的計算資源，若對計算精度沒有嚴格的要求，可優先考慮計算速度較快的Two方程。

2.5 改進結構

按高壓變頻器實際結構建模的計算結果相較于未考慮漏風的模型風量偏低10 %。風道整改后的高壓變頻器的離心風機風量將提升0.15 m3/s，由于漏風點處于模塊側，整改后模塊側濾網降低，變壓器測濾網風量增大，相應通過變壓器的風量增大、通過模塊散熱器的風量減小。根據實驗與仿真結果可知模塊器件還有較大余量，而變壓器溫升較高，應考慮整改風道以增大變壓器側風量，本研究采取遮擋模塊進風口方案，采用Enhanced realizable two方程進行熱仿真分析。改進后變壓器側濾網風量增大，功率模塊散熱器臺面溫升上升2 K左右，變壓器溫升得到有效改善。

3 結論

本研究基于CFD軟件對高壓變頻器搭建了精細的仿真模型，從整柜、模塊、IGBT芯片多個維度進行了熱仿真計算，基本涵蓋了高壓變頻器內主要電力電子器件。同時搭建了風洞試驗臺測量了散熱器、過濾網板流阻曲線，搭建了功率試驗臺對高壓變頻器進行功率溫升試驗。通過將試驗結果與9種湍流方程的仿真計算結果對比，針對于變流器的熱仿真計算Two方程以及它的優化方程均能得出良好的計算結果，尤以Enhanced realizable two、K-Omega等方程更為準確。結合試驗與仿真結果發現高壓變頻器的模塊側存在局部漏風問題，結構改進后變壓器側濾網風量提升，變壓器溫升降低。