為了提高大功率高功率密度電力電子裝置熱設(shè)計的準(zhǔn)確性和設(shè)計效率，浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院的研究人員林弘毅、伍梁 等，在2021年第16期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文，綜合熱傳導(dǎo)、對流換熱與流體力學(xué)理論，針對電力電子裝置的典型強迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)，提出基于截面積二次方根為無量綱特征長度的綜合熱模型，并提出一種強迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)體積最優(yōu)的優(yōu)化設(shè)計方法。

研究結(jié)果表明，本綜合熱模型相對于傳統(tǒng)熱模型精度提升62%，證明了綜合熱模型的準(zhǔn)確性。基于所提出的優(yōu)化方法設(shè)計的散熱系統(tǒng)體積4.03L，對比傳統(tǒng)方法設(shè)計的體積5.7L，體積縮小30%，從而證明了本方法的可行性。

電力電子器件在工作中會產(chǎn)生損耗，這些損耗會轉(zhuǎn)化為熱量。若熱設(shè)計不合理，電力電子器件的結(jié)溫過高，將導(dǎo)致電力電子器件的失效率增大，較高的過溫還會造成器件燒毀，直接影響電力電子裝置的壽命和可靠性。隨著大功率電力電子裝置向高功率密度發(fā)展，電力電子器件的散熱問題越來越突出，進(jìn)而影響了電力電子裝置的可靠性和穩(wěn)定性，成為電力電子裝置功率密度進(jìn)一步提高的瓶頸。

隨著寬禁帶器件的發(fā)展，電力電子裝置的開關(guān)頻率得以提升，無源器件的體積顯著減小。對基于寬禁帶器件的強迫風(fēng)冷電力電子裝置而言，散熱系統(tǒng)（包括散熱器和風(fēng)扇）占裝置總體積的25%以上。因此，散熱系統(tǒng)體積優(yōu)化對提高電力電子裝置的功率密度起著關(guān)鍵作用。

目前，電力電子裝置的熱設(shè)計主要依賴工程實踐經(jīng)驗。有些學(xué)者基于實踐經(jīng)驗提出了一些經(jīng)驗公式，但經(jīng)驗公式通常誤差較大，且不具有普遍適用性。
 

在電力電子裝置設(shè)計之初，散熱設(shè)計應(yīng)該和電路設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計同步規(guī)劃開展。散熱系統(tǒng)設(shè)計流程如圖1所示。值得注意的是，熱設(shè)計包括理論計算、熱仿真驗證、模擬實驗驗證等流程，耗時較長。因此，在熱設(shè)計完成之前，可以先利用傳統(tǒng)經(jīng)驗公式對散熱進(jìn)行概要設(shè)計，初步驗證設(shè)計方案的可行性，并指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計和功率PCB布局。在熱設(shè)計的過程中，電路測試可以同步進(jìn)行，以提升設(shè)計效率。
 

電力電子裝置熱設(shè)計對高功率密度大功率電力電子裝置的可靠性起著重要作用。為了提高熱設(shè)計的準(zhǔn)確性和設(shè)計效率，浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院的研究人員綜合傳熱學(xué)與流體力學(xué)理論，提出了一種基于截面積二次方根為無量綱特征長度的綜合熱模型。同時，提出了一種針對典型強迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的體積最優(yōu)的優(yōu)化方法，該優(yōu)化方法亦可推廣到質(zhì)量最優(yōu)、損耗最優(yōu)等優(yōu)化設(shè)計當(dāng)中。
 

研究人員以380V/50kvar高功率密度SVG為例，利用本方法設(shè)計的散熱系統(tǒng)，較傳統(tǒng)概要方法體積可縮小30%。另外，相較于傳統(tǒng)熱模型平均熱阻誤差，本研究提出的綜合熱模型準(zhǔn)確性有較大的提升。
 

本文編自2021年第16期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“高功率密度SiC靜止無功補償器強迫風(fēng)冷散熱綜合建模及優(yōu)化設(shè)計方法”，作者為林弘毅、伍梁 等。