运用于高原光伏逆变器的微热管阵列散热器*

万溧

（西藏自治区能源研究示范中心，西藏 拉萨 850000）

0 引言

伴随科技水平的快速发展，电子产品的精细程度和集成化程度愈来愈高，其具有更加小型化、更加密集化的特点，这致使电子产品在单位面积上的热流密度不断提高，对电子产品的散热性能要求也随之不断提升［1］。光伏逆变器作为太阳能光伏电站的心脏，其核心散热模块IGBT 的热量，若不能及时有效的散出，不仅将导致IGBT 模块的运行稳定性下降和故障发生率提高，还将对光伏逆变器中其它电子产品的使用性能造成影响，缩短其实际使用寿命，甚至引发自燃火灾等安全事故［2］。据有效数据相关统计，现有超过50%的电子芯片等性能降低甚至烧损的原因就是由于散热不均匀和散热不及时，以致产生局部高温造成的［3］。因此，光伏逆变器核心元器件IGBT模块等的散热问题已逐渐成为影响其整体使用效率的关键因素之一［4］，尤其是高原地区，因其特殊的高海拔、低气压地理环境条件，致使光伏逆变器核心元器件的散热要求更加具有挑战性。

微热管阵列是一种内部设置有多个独立运行微小热管的高效导热元器件，其主要是运用了微尺度的相变传热传质工作原理，因此大量运用于电子产品散热、大功率设备散热、太阳能综合开发利用等方面［5］。王薇，樊洪明［6］将平板微热管阵列导热技术与大功率LED 散热技术相结合，设计了基于平板微热管阵列的U 型LED 散热装置，通过相关实验研究，确定了该微热管阵列散热器的最佳肋片间距、最优肋片厚度等值，论证了其有效散热性能；王颖盈，刁彦华等［7］将平板微热管阵列运用于磷酸铁锂电池组散热，利用实验测试与Fluent 软件数值模拟，分析了微热管阵列散热器对磷酸铁锂电池组温度场的影响，并得到结论：该微热管阵列散热器能有效降低电池组最高温度，且温度场平均温度随对流换热系数的提高而下降；战乃岩，吴俊廷等［8］将微热管阵列运用于城市轻轨牵引变流器的散热，通过将微热管阵列作为其冷却单元，利用ICEPAK 软件分别模拟了不同肋片高度和倾斜角度对微热管阵列散热器散热效果的影响，并对肋片设计进行了优化；靖赫然，全贞花等［9］将平板微热管阵列运用于数据机房散热，设计了新型数据机房基于微热管阵列的散热器，通过搭建的实验平台，验证了其散热性能和散热效果，并得到结论：该散热器的最大散热量可达8.79 kW，其中空气侧的阻力约252.6Pa，水冷侧的阻力约8.8Pa，影响微热管阵列散热器散热能力的主要因素为空气侧风量和水冷侧温差。

本文针对高原地区光伏逆变器散热不均匀和散热不及时的问题，围绕微热管阵列散热器的肋片数量和肋片间距对其散热性能的影响进行研究分析，得到实际应用中微热管阵列散热器换热性能的影响因素，为高原地区优化基于微热管阵列的光伏逆变器散热提供理论基础。

1 实验装置和原理

1.1 实验用微热管阵列

实验装置如图1 所示，选取尺寸为900 mm×50 mm×3 mm（长×宽×厚）的平板形微热管阵列，其内部充装工质均为丙酮，且充液率均为50%，微热管阵列的冷端和热端长度均为450mm，冷热段长度比为1:1。通过选取不同数量的微热管阵列以不同的外边间距排列方式，组合成微热管阵列散热器，并将该散热器利用高效导热硅脂紧密外置于光伏逆变器核心散热元器件IGBT 模块外壳处，其中该微热管阵列散热器的肋片数量分别设置为：5 根、8 根和12 根，外边间距分别设置为：5mm、50mm 和80mm。通过测温点1、2、3 和4 分别测试光伏逆变器核心元器件IGBT 模块的表面平均温度、微热管阵列散热器的冷端平均温度、微热管阵列散热器的中间段平均温度和微热管阵列散热器的热端平均温度，并采用经标定的K型热电偶将温度测试数据输送至数据采集器。具体实验时，先将肋片数为5 根的微热管阵列散热器以外边间距为5mm、50mm 和80mm 的工况，分别进行测温点1～4 的温度测试，通过测温点温度变化，分析不同外边间距对该散热器散热性能和核心散热元器件IGBT 模块温度场的影响；再将肋片数分别增加至8根和12 根，进而分析不同肋片数量所引起的温度特性变化。

1.2 实验所用原理

本文中对所涉及的光伏逆变器核心元器件IGBT模块进行必要的简化，拟定认为核心元器件IGBT 模块在各个方向上具有相同性质，其各向的物理参数相近；同时认为其产生的热量在IGBT 模块内部均匀的产出，致使核心元器件IGBT 模块的表面温度分布均匀，没有“极热区”或“极冷区”；在忽略IGBT 模块内部的对流换热量和辐射换热量的基础上，还忽略IGBT模块与空气间的对流换热量和对外辐射量，仅考虑核心元器件IGBT 模块与微热管阵列散热器之间的导热，因此建立核心元器件IGBT 模块存在的瞬态导热数学模型如下［7］：

式中：ρ为核心元器件IGBT 模块的平均密度，kg/m3；为核心元器件IGBT 模块的比热容，J/(kg·℃)；Cp为温度，℃；λx、λy、λz为核心元器件IGBT 模块内部分别沿X 轴、Y 轴、Z 轴方向上的传热系数，W/(m·℃)；qv为核心元器件IGBT 模块内部的单位热量产生速度，W/m3。

上计算式中，qv的计算方式为：

式中：△T为核心元器件IGBT模块表面的温升平均值，℃；△t为测试周期的时间，s。

本文中由于实验时仅在核心元器件IGBT 模块表面的一侧外置有微热管阵列散热器，因此将造成外置有该散热器的一面温度相对更低，从而导致核心元器件IGBT 模块的整体温度场不均匀性增加，该不均匀性的计算公式为：

式中：Tmax为核心元器件IGBT 模块表面的最高温度，℃；Tmin为核心元器件IGBT 模块表面的最低温度，℃；Tave为核心元器件IGBT 模块表面的平均温度，℃。

2 结果分析

2.1 相同数量，不同间距的影响

本文选取肋片数量为8 的微热管阵列散热器，分别设置外边间距为：5mm、50mm 和80mm，将其紧密外置于光伏逆变器核心元器件IGBT 模块外壳处，通过进行测温点1～4 的温度测试，研究分析在相同的肋片数量条件下，不同的肋片间距对微热管阵列散热器散热性能的影响。如图2 所示，加装不同肋片间距的微热管阵列散热器后，确实能有效降低光伏逆变器核心元器件IGBT 模块的表面平均温度。未加装微热管阵列散热器前，IGBT 模块的表面平均温度约73.2℃，加装相同肋片数量、不同肋片间距的微热管阵列散热器后，其表面平均温度分别约：外边间距5mm 为68.9℃，外边间距50mm 为69.5℃和外边间距80mm 为70.1℃；温度下降分别为：4.3℃、3.7℃和3.1℃；温度下降比分别为：5.9%、5.1%和4.2%.通过数据分析，微热管阵列散热器的肋片间距将影响其整体散热性能，即使相同的肋片数量，其间距越大，散热性能越弱。同时由表1可知，相同肋片数量条件下，肋片间距增大的微热管阵列散热器对IGBT 模块的表面温度的不均匀度增加，且随着间距的不断增大，不均匀度线性上升。如外边间距5mm 时，不均匀度为1.7%，当间距增大10倍为50mm 时，不均匀度为2.2%，增幅为29.4%；而当间距由50mm 增加为80mm 时，不均匀度由2.2%增加至2.6%，增幅为18.2%.这是由于随着微热管阵列散热器肋片间距的增大，核心元器件IGBT 模块表面与微热管阵列接触区域温度相对较低，而未接触区域温度相对较高，造成IGBT 模块的表面温度的不均匀度整体提高。因此在相同肋片数量，同时考虑对流换热影响的情况下，应适当减小微热管阵列散热器的肋片间距，这样不仅有利于提升其散热性能，还有利于减小核心元器件IGBT模块的表面温度不均匀性。

表1 不同肋片间距对温度场的影响

2.2 相同间距，不同数量的影响

本文选取肋片间距为5mm的微热管阵列散热器，其肋片数量分别设置为：5 根、8 根和12 根，将其按上述步骤紧密外置于光伏逆变器核心元器件IGBT 模块外壳处，通过进行测温点1～4 的温度测试，研究分析在相同的肋片间距条件下，不同的肋片数量对微热管阵列散热器散热性能的影响。如图3 所示，加装不同肋片数量的微热管阵列散热器后，确实能有效降低光伏逆变器核心元器件IGBT 模块的表面平均温度。未加装微热管阵列散热器前，IGBT 模块的表面平均温度约73.1℃，加装相同肋片间距、不同肋片数量的微热管阵列散热器后，其表面平均温度分别约：肋片数量5 根为70.5℃，肋片数量8 根为69.2℃，肋片数量5根为67.6℃；温度分别下降为：2.6℃、3.9℃和5.5℃；温度下降比分别为：3.6%、5.3%和7.5%.因此，在相同肋片间距的条件下，微热管阵列散热器的肋片数量越多，其散热性能越好，核心元器件IGBT 模块表面平均温度降低比例越大。并且通过图3 可得，随着微热管阵列散热器肋片数量的增长，其散热性能将随之线性提高，如当肋片数量由5根提高至8根，肋片数增幅为60%，IGBT 模块表面平均温度降由2.6℃提高到3.9℃，上升1.3℃，上升比例为50%；而当肋片数量由8 根提高至12 根，肋片数增幅为50%，IGBT 模块表面平均温度降由3.9℃提高到5.5℃，上升1.6℃，上升比例为41%.这是由于随着微热管阵列散热器的肋片数量增多，其与IGBT 模块表面的接触导热面积增大，与环境空气的对流换热面积增大，对流换热加强，致使微热管阵列散热器的散热性能增强。

通过表2可知，在相同肋片间距的条件下，不同肋片数量的微热管阵列散热器对IGBT 模块的表面温度的不均匀度影响不同，且随着肋片数量的不断增多，不均匀度呈线性下降。如肋片数量为5 根时，不均匀度为3.3%，当肋片数量增加至8根，增幅为60%时，不均匀度减小至2.3%，降幅为30.3%；而当数量由8 根增加至12根，增幅为50%时，不均匀度由2.3%减小到2.0%，降幅仅为13.0%.这是由于随着微热管阵列散热器肋片数量的增加，核心元器件IGBT 模块表面与微热管阵列的接触区域面积增大，导热加强，但随之而来的是占用空间增多，对流换热能力减弱。因此在相同肋片间距，综合考虑占用空间和对流换热能力的情况下，应适当增加微热管阵列散热器的肋片数量，这样不仅有利于提高光伏逆变器核心元器件IGBT 模块的有效散热能力，还有利于减少光伏逆变器中有限的空间占用率。

表2 不同肋片数量对温度场的影响

3 结论

本文针对高原地区光伏逆变器散热不均匀和散热不及时的问题，通过将微热管阵列运用于光伏逆变器核心发热元器件IGBT 模块的外壳表面，在设计了微热管阵列散热器的基础上，采用对比分析的方法，研究了相同肋片数量、不同肋片间距的微热管阵列散热器对IGBT 模块散热性能和温度场的影响，以及相同肋片间距、不同肋片数量对其散热性能和温度场的影响。并得到结论如下：

（1）在相同肋片数量、不同肋片间距的实验条件下，当间距分别为：5mm、50mm 和80mm 时，光伏逆变器核心散热元器件IGBT 模块在加装微热管阵列散热器后，其平均温度分别下降：4.3℃、3.7℃和3.1℃，温度下降比分别为：5.9%、5.1%和4.2%，微热管阵列散热器的肋片间距将影响其整体散热性能，肋片间距越大，散热性能越弱。且随着肋片间距由5mm 增加至80mm，IGBT模块的表面温度的不均匀度由1.7%增大至2.6%，不均匀度呈线性上升，因此需适当减小微热管阵列散热器的肋片间距。

（2）在相同肋片间距、不同肋片数量的实验条件下，当数量分别为：5根、8根和12 根时，光伏逆变器核心散热元器件IGBT 模块在加装微热管阵列散热器后，其平均温度分别下降：2.6℃、3.9℃和5.5℃，温度下降比分别为：3.6%、5.3%和7.5%，相比肋片间距而言，肋片数量对微热管阵列散热器散热性能的影响更大，且随着其肋片数量的增长，其散热性能将随之线性提高。同时，随着肋片数量由5 根增加到12 根，IGBT 模块的表面温度的不均匀度由3.3%减小至2.0%，不均匀度呈线性下降，因此需适当增加微热管阵列散热器的肋片数量。