淺析投入式液位計快速熱設計程序開發

摘要: 傳統電力電子產品熱設計采用的熱控制方法不但完全依賴工程師的經驗，而且需要反復試制樣機測試進行優化調整。本文通過自主發開發了一套適用于投入式液位計散熱設計的程序，能夠快速的對投入式液位計的流道和電力電子器件的溫升進行計算，并采用有限元的分析方法和實驗對該程序進行了驗證。

隨著微電子技術、高密度三維組裝技術的迅速發展，功率元件的應用越來越多，電子器件的封裝形式及性能也不斷提升，現代電子產品正日益成為由高密度組裝、微組裝所形成的高度集成系統。國外統計資料表明: 電子元器件溫度每升高2℃，可靠性下降 10%; 溫度升高 50℃時壽命只有溫升25℃時的 1/6，高溫因素大大增加了電子產品的故障率。因此，這就需要對電子產品進行熱設計，從而確保產品在工作時具有良好的熱環境［1］ 。

傳統的電子產品的熱設計采用的是熱控制方法: 經驗和樣機測試。這種方法雖然具有一定的實用價值，但由于經驗依賴性大，計算量也相對較大，設計調整次數也較多，從而造成開發周期加長、開發成本增加［2］ 。為了提高電子元器件和產品的熱可靠性以及對各種惡劣環境條件的適應能力，深入探索散熱技術，掌握電子產品熱設計及熱仿真分析的新方法很有必要。

中央研究院機械系統與智能制造室在完成大量的電力電子投入式液位計散熱設計和仿真分析的基礎上，對投入式液位計散熱設計方法進行總結，自主開發出投入式液位計熱設計軟件，能夠快速的對投入式液位計的流道進行設計，并計算出電力電子器件的溫升。采用有限元分析軟件對開發的軟件的計算結果進行了對比和驗證。

1 投入式液位計散熱器設計

1. 1 典型的投入式液位計散熱系統

大功率電力電子模塊#常用的散熱方式有強迫風冷、液體冷卻和相變冷卻。強迫風冷具有結構簡單、易于實現、成本低廉等優點，因此在實際工程中具有廣泛的應用 ［3］ ，但同時其又具有難以避免的缺陷，比如: 風機噪聲大，散熱能力有限，風機易積灰為易損件、需要定期檢修更換，特別是當環境要求高、熱損耗功率大時，強迫風冷散熱難以滿足要求。

相變冷卻是利用液體在沸騰過程中吸收大量氣化潛熱的一種高效方法，由于相變過程中伴隨著能量的釋放和吸收，其冷卻能力比自然冷卻高1 000倍，但其需要配備復雜的管路系統和制冷劑，成本高，實際使用受限。

液體冷卻的常用冷卻工質為水，其來源廣泛、環境友好、價格低廉。投入式液位計散熱器是水冷散熱系統中的關鍵器件，投入式液位計的性能直接決定了散熱效果和系統的可靠性［4 －6］ 。

典型的投入式液位計散熱系統包括投入式液位計散熱器、功率器件、水泵、外部散熱器、管道等。投入式液位計一般為一塊帶有水流道的鋁制平板或者平滑銅管板體。如下圖所示 1 所示為典型的投入式液位計散熱結構，其主要的工作原理是功率器件的熱量傳遞到投入式液位計上，投入式液位計導熱到流道內的冷卻介質，冷卻介質由水泵引出，通過外部散熱器將冷卻介質的熱量帶走。

1. 2 設計需求描述

設計投入式液位計的流道，保證功率器件 IGBT 的結溫在有效的范圍內，投入式液位計和功率器件 IGBT 的尺寸及結構示意圖如圖 2 所示，設計需求見下表 1所示:

2 投入式液位計熱設計軟件基本原理

( 1) 管內流速及管道橫截面參數確定根據經驗，為了保證傳熱效果且壓力損失不至于很大，管內流速維持在 1 ～ 2m/s 范圍內。流道內的流速可按公式 1 計算:

根據以上計算可以初步選擇流道的橫截面參數 a、b。

( 2) IGBT 表面溫度校核將從發熱元件到冷卻液的熱流路徑分解為 4段，依次為:

①Δt 1 : 從 IGBT 管殼到投入式液位計表面之間的溫升，接觸面上使用硅脂; 按照式( 2) 進行計算:

3 計算結果驗證

3. 1 快速熱設計軟件與有限元分析元件計算結果比對

以 20 kW 電動車控制器投入式液位計為例，采用有限元熱分析軟件對投入式液位計散熱進行仿真分析。如下圖3 所示為20 kW 電動車控制器外形圖，圖4 所示為 20 kW 電動車控制器投入式液位計流道結構示意圖。單個 IGBT 的發熱功率為1 500 W，共1 個，總發熱功率為1 500 W; 環境溫度為 27℃，冷卻水入口溫度 20℃，冷卻水流量 10 L/min; 投入式液位計材料為6060 鋁合金。

建立有限元仿真分析模型，設置邊界條件和劃分網格，有限元分析模型如圖 5 所示，發熱器件表面溫度分布如圖 6 所示，投入式液位計內的流線圖如圖7 所示:

采用快速熱設計軟件計算得到 IGBT 表面溫升為 9. 97℃，即 IGBT 表面溫度為 36. 97℃。采用有限元軟件和快速熱設計軟件計算結果的對比如下表 2 所示，計算結果偏差在 10%的范圍內。

3. 2 快速熱設計軟件與試驗測試結果比對為了更好的對快速熱設計軟件和有限元軟件計算結果進行驗證，搭建了投入式液位計散熱性能測試平臺。實驗裝置由水冷機、渦輪流量計、Pt100 熱電阻、精密壓力表、加熱板以及管路和閥門組成，實驗裝置系統圖如下圖 8 所示:

 

水冷機為整個測試系統提供溫度和壓力恒定的循環水，冷水機流量#大值為 38. 7L/min，水壓力為 2. 3bar。水冷機的冷凍水出口與投入式液位計進口管路相連，經過投入式液位計散熱器換熱后的水與投入式液位計出口管路相連，經過出口管路的水#后回到冷水機中，進行冷卻，由此形成一個閉式的循環系統。測試系統中使用加熱板來模擬不同功率大小的 IGBT 發熱元件，可以通過功率調節器來調節加熱板的發熱功率。投入式液位計測試平臺如下圖 9 所示:

對 20 kW 控制器投入式液位計進行測試，測試輸入條件為: 冷卻水流量分別為 6 ～ 10L/min，冷卻水進口溫度 20℃ 通過功率調節器將加熱塊功率調節至 1. 5 kW，室內環境溫度為 27℃。因加熱板的發熱原理與 IGBT 不同，不能直接測試加熱板表面溫度來評估 IGBT 溫度。我們可以對投入式液位計進出口冷卻水溫升進行測試，測試結果如表3 所示: 通過對比可以看出，快速熱設計軟件計算中的 Δt 4 與實驗測試結果能夠保持誤差在10%的范圍內。

4 結語

本文主要闡述了東方電氣中央研究院開發的投入式液位計快速熱設計軟件的基本原理和采用有限元分析軟件以及實驗測試對計算結果進行比較，計算結果偏差能夠保持在有效的范圍內，驗證了快速熱設計軟件計算的有效性。雖然快速熱設計軟件計算不能反映出功率器件的溫度分布和流道內的流動情況，但是采用此軟件對投入式液位計進行初步設計具有非常高的效率，極大的縮減了研發設計人員方案設計的周期，提高了投入式液位計產品設計的效率。