基于Flotherm软件的电力电子装置热分析

丘东元,何文志,张 波,肖文勋

(华南理工大学电力学院,广州五山 510641）

基于Flotherm软件的电力电子装置热分析

丘东元,何文志,张 波,肖文勋

(华南理工大学电力学院,广州五山 510641）

电力电子装置的热分析对设备的可靠性影响不可忽略,但在研究生课程中都没有涉及,往往使得他们在毕业后工作中要重新进行学习。为此,本文从散热原理和应用于热分析的软件Flotherm两方面介绍了电力电子装置热分析的步骤,合理选择散热器及风量,籍此改善装置的工作可靠性。

热分析;电力电子装置;flotherm

0 引言

随着电力电子装置的小型化发展以及功率密度的提高,设备的温度对其能否安全可靠地运行影响很大。电力电子装置的电能损耗很大部分转化为热损耗,从而造成元器件的结点温度急剧升高,当超过器件的安全结温,元器件就会失效。研究表明,功率器件的失效率随器件温度成指数关系增长。实际工作中,可能会因为热量不能及时排出导致器件温度过高甚至烧毁影响电路的可靠性和寿命[1]。因此,装置热设计的好坏将直接影响到装置的使用寿命和稳定性。

Flotherm是英国Flomerics公司开发的电子系统散热仿真软件,已在全球广泛使用。Flotherm采用了成熟的流体动力学和数值传热学仿真技术,并成功地结合该公司在电子设备传热方面的丰富经验和数据库开发而成。同时,Flotherm软件还拥有大量专门针对电子工业而开发的模型库。

本文通过Flotherm软件对某大功率开关电源进行热分析,使我们可以掌握电力电子装置的热场分布并通过优化手段提高装置工作的可靠性。

1 电力电子装置的散热原理

从热系统角度来看,电力电子装置是发热体与散热体的组合。热设计的主要目的是能将发热体产生的热经过散热体快速的传至系统外的环境中。在电力电子装置中,发热体包括功率半导体器件、电阻和电感等器件。常见的传导散热体有导热硅胶、散热器、PCB板以及空气介质等。在热传递的不同方式中,热阻作为系统散热能力的一个重要指标。热阻表示系统散热过程所受到的阻碍力,与电路上的电阻概念类似,单位为℃/W,即散热体经过1W 功率时,散热体热端与冷端的温度差[2,3]。电力电子系统散热基本原理图如图1所示。

图1 散热基本原理图

热设计就是利用散热器和风扇等外加散热器件控制系统热阻,系统所需热阻为式中,Δt h为与发热器件紧密接触的散热器底板温度与散热器环境境平均温度之间温差,单位为℃;P为发热器件功耗,单位为W。本文假设发热量全部经过散热器传到外部环境[4,5]。

2 大功率开关电源的热分析

大功率高频开关电源内部主要发热器件是主开关器件(如IGBT模块)以及整流桥和次级输出整流二极管。现在我们利用Flotherm软件建立如图2所示的模型,分析以上发热器件对电源内部流场和温度场的影响,并介绍利用该软件辅助优化。

图2 电源机箱结构

1)物理模型

设大功率开关电源工作环境温度为27℃,电源机箱内部结构如图2(a)所示。其尺寸(长×宽×高)为510mm×330mm×600mm,内部结构分为三个区:①前区(B)包括了散热片1以及安装在其上面的整流桥和IGBT模块,如图2(b)所示;散热片2以及安装在其上面的输出整流二极管(C);②后区(D)主要有高频变压器;③上区(E)安装有轴流风机300FZY6-D系列,风量达到34m3/min,此外在散热片1(B)上方装有控制板(A)。两散热片相对排列,尺寸均为380×210×60mm(其中60mm为翅片高)。

调用Flotherm软件中的模型库(散热器,风扇等)及利用画图工具,可以建立大功率开关电源的几何结构模型,具体如图2所示。对各个部件赋予材料、损耗等特性参数后,就可以进行仿真[6,7]。

2)仿真结果

本文所述的大功率开关电源在额定输出且工作在软开关情况下,各开关器件的功耗(主要是导通损耗)如表1所示。

表1 开关器件的功耗估算(满载输出)

在软件里设定热源功耗后,利用软件划分网格计算,可以得出仿真结果。以下各图只反映器件表面温度,可以通过发热器件结-底热阻R JC换算得到器件的结温。机箱内部流场图示于图3。

图3 机箱内部流场图

从图3可看出,本文所述电源机箱内部风道设计合理,可以很快地利用空气流动把散热片热量带出机箱。由图4和图5中可以看到机箱内部工作环境温度约为40℃,其中二极管区域温度最高,高达72℃左右。二极管的结-底热阻R JC=0.45℃/W,可算得出二极管结温约为110℃。虽然整流二极管在结温150℃以下可以正常工作,但如果温度过高就会影响二极管的可靠性。

图5 二极管区域温度分布

图4 机箱内部温度切面

我们通过仿真,可以看到电源内部的温度场分布,并可以根据需要显示某检测点的温度进而看到装置的热分布所存在的问题。在所例举的开关电源中发现两个散热片上的温度存在较大差别,二极管区域的散热片2温度明显高于散热片1。进而我们可以通过改变散热片2的尺寸或散热材料来改善这一问题。

3)应用CFD软件辅助优化

利用Flotherm软件可以快捷地实现优化,在Command Center中,修改一个或同时修改多个参数(包括材料,尺寸等),每个参数可以分几步修改。通过软件仿真就可以看到在每步参数修改下,测试点的温度或者如散热器质量和系统风量等参数的差异。反映出来的是优化效果与成本的关系,从而可以从直观对比中选择合适的优化方案。

3 结语

通过应用Flotherm软件对装置进行热分析,我们可以掌握装置内部的温度分布。根据分析,我们可以作出相应的改善方案来提高装置工作的可靠性,对今后的电源结构小型化及其散热器的选择具有一定的指导作用。可见在电力电子装置的设计过程中利用热分析,可以使得装置工作更加稳定可靠,延长设备使用寿命。

我们把热分析融入电力电子教学中,通过搭建简易电路,分析其中各功率器件的损耗,进而用CFD软件建立模型分析,直观地认识装置的热场分布甚至某功率器件的温度情况,可以加深学生对电力电子装置的工作可靠性认识。我们还可以利用逆向分析,通过实测温度与仿真温度的对比估算功率器件的大概损耗。

[1] 周志敏,周纪海.开关电源实用技术设计与应用[J].北京:人民邮电出版社,第一版.2003:7

[2] 陶文铨.传热学[M].北京:高等教育出版社

[3] 汪择宏.电子仪器中散热器热阻的计算方法[J].济南:《科技信息》,2008年第4期

[4] 鲍承斌.功率器件热设计及散热计算[J].北京:《电子设计应用》,2007年01期

[5] R.A.Wirtz,W.Chen,and R.Zhou,Effect of Flow Bypass on the Performance of Longitudinal Fin H eat Sinks,ASM E Journal of Electronic Packaging",1994,116:206-211

[6] S.Lee,Optimum Design and Selection of Heat Sinks,Proceedings of 11th IEEE Semi-Therm Symposium,1995,48-54

[7] 郁圣杰,李维忠.密闭机箱的热仿真分析[J].南京:雷达与对抗,2008年第4期

Thermal Analysisof Power Electronic Device Based on Flotherm Software

QIUDong-yuan,HEWen-zhi,ZHANG Bo,XIAOWen-xun

(Collegeo f E lectr ic Pow er,Sou th Ch ina University o f Technology,Guangzhou 510641,Ch ina)

The therm alanalysis of power electronic devices is not invo lved in m ost of the graduate courses.However,thermalanalysis is important for power electronic devices,which makes the graduated student often re-study at work.Thus,this paper presents the therm alanalysis of power electronic devices from the cooling princip le through the thermal analysis Flotherm software,in order tomake up the deficiency in the teaching.

therm alanalysis;power electronic device;Flotherm

TM 743

A

1008-0686(2011)02-0050-03

2010-08-02;

2010-11-07

丘东元(1972-),女,博士,副教授,主要从事电力电子装置与系统的研究,E-mail:epdyqiu@scu t.edu.cn