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风电功率组件水冷散热器仿真模拟和实验研究

摘要：近年以来风电产业发展迅速。随着风电功率组件的功率密度越来越大，对于功率组件而言，散热器是整个功率组件正常工作的重要保证。散热器的设计中保证散热器的散热性能的同时，降低散热器的使用条件是散热器的核心内容。本文就2.0MW水冷双馈功率组件为例，利用有限元分析软件ANSYS，以及模拟发热实验的方法，进行了散热器设计。

关键词：散热器设计；有限元仿真；模拟实验；

引言

1.1 风电功率组件散热器

风电变流器容易出现极端高、低温现象，安装空间极其有限，如何在有限空间内对高频、大电流的IGBT模块进行散热成为风电变流器散热设计的关键。目前，应用于风电变流器IGBT模块的散热器主要的散热方式有强迫风冷和强迫水冷两种。随着设备容量的增大，其散热方

式由风冷逐渐向水冷发展，如果散热器设计不合理，将导致流阻较大，或散热均温性较差，降低了IGBT的使用寿命，甚至由于散热性能不足导致IGBT过热造成炸裂等事故，同时散热问题也是限制高压电力设备容量的主要因素之一。因此对IGBT散热器的研究是电力电子行业发展的需要。

1.2 散热器设计基本原理

IGBT芯片依次通过衬板焊料，衬板，基板焊料和基板将运行过程中产生的热量传递到散热器，散热器通过和冷却水的换热将热量带出模块系统。

直线度测量热传导是指由于冷却水与散热器直接接触时存在温差而发生的热量传递过程。其基本定律为傅里叶定律，即:

式中： q为热流密度，即为单位面积的热流密度，为温度梯度，即温度在x方向的变化率; 为散热器与冷却水之间的导热系数。

热对流是指冷却水与散热器流道壁面接触时发生的热交换过程，其基本定律为牛顿冷却公式:

式中：为对流换热系数；A为换热面积; 为壁面温度; 为流体温度。为对流换热系数，主要与流体的物理性质，表面换热形状、部位、表面与流体的流速有关。对于散热器设计而言，主要与散热面积以及流速相关。流速越大，散热面积越大对流换热效果越好，强制水冷散热器对流换热系数通常为1000～1500。新型增塑剂

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1.2 冷却水流动分析

流阻在水冷散热器中也是重要的指标。流阻即冷却水经过散热器的压力损失。其流动满足不可压缩粘性流体一元流动的伯努利方程，冷却液流经散热器的压力损失即为散热器的流阻。冷却液流阻包括沿程流阻和局部流阻即：

式中: 为冷却液流阻; 为沿程压力损失；为局部压力损失; 为沿程压力损失系数; 为流道内水的平均流速; 为流道长度;d为管道直径; 为局部压力损失系数。

由传热原理分析可知，散热器内壁面与水的换热面积和温差越大，换热效率就越高; 散热器的结构决定流道越长，水流速度越快，换热就越充分，换热效率就越高，同时流阻也越大，而流动分析表明，散热器流道越长，水流速度越快，散热器的流阻就越大。因此散热器热阻与流阻性能成反向相关。

1.3 散热器实验方案

本次实验用的模拟热源由电热管、铝块、铜块和隔热板等组成，模拟热源底部涂覆导热硅脂后，通过螺栓紧固安装在散热器上。电热管具有良好的稳定性，其损耗可以通过变频器进行电压电流调节而改变。为保证发热均匀，电热管尽可能分布均匀，热量依次经过铝块和铜块进行传递。铜块的厚度为20mm。其平面尺寸可依据其所替代的IGBT基板的尺寸而定。如在本实验中IGBT模块基板尺寸为：。实验室提供水系统可提供可变的流量输出。

二．风电功率组件水冷散热器设计

风电功率组件采用四个IGBT并联的方式构成单相组件，输出额定电流1000A，开关频率，同时考虑均流系数为0.85，每个IGBT模块输出电流为294.1A。风场现场水系统在流阻小于25KPa的流阻的前提下可以提供12L/min的50%的乙二醇。

表1 模型的物性参数

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