２０１７年第１期 车辆与动力技术 Ｖｅｈｉｃｌｅ＆Ｐｏｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 第１４５期 文章编号：１００９—４６８７（２０１７）Ｏ１—００５１—０４ 风电变流器ＩＧＢＴ模块的冷板设计 姜红霞 ， 谷 操 ， 靳 霏 ， 赵 真 （１．中国北方车辆研究所，北京１０００７２；２．三一重型能源装备有限公司，北京１０２２０２） 摘要：针对某２．ＯＭＷ风电变流器ＩＧＢＴ模块的散热需求，对其散热部件——冷板进行几何参数和性能参数（表 面温度和流动阻力）的设计和计算，特别是对介质的对流换热系数进行了理论推导和计算．对冷板的仿真分析和 装机试验的结果进行分析，结果表明所设计的冷板能够同时满足表面温度低于８０￣Ｃ、介质流动阻力小于１ｂａｒ的 参数要求，保证了ＩＧＢＴ模块可靠工作． 关键词：风电变流器；ＩＧＢＴ模块；冷板 中图分类号：ＴＭ４６ 文献标识码：Ａ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｏｌｄ Ｐｌａｔｅ Ｕｓｅｄ ｆｏｒ ＩＧＢＴ Ｍｏｄｕｌｅ ｏｆ Ｗｉｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ＪＩＡＮＧ Ｈｏｎｇ．ｘｉａ ， ＧＵ Ｃａｏ ， ＪＩＮ Ｆｅｉ ， ＺＨＡＯ Ｚｈｅｎ （Ｃｈｉｎａ Ｎｏｒｔｈ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １ ０００７２，Ｃｈｉｎａ； ＳＡＮＹ Ｈｅａｖｙ Ｅｎｅｒｇｙ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０２２０２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｃｏｏｌｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ＩＧＢＴ ｍｏｄｕｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ— ｃｏｌｄ ｐｌａｔｅ，ｇｅｏｍｅｔｉｒｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ（ｓｕｒｆａｃｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｆｌｏｗ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ） ｗｅｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．ｉｎ ｓｐｅｃｉａ１．ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｄｉｕｍ ｗａｓ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙ ｄｅｄｕｃｅｄ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ａｆｔｅｒ ｔｈａｔ，ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ—ｃｏｌｄ ｐｌａｔｅ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｔｅｓｔｅｄ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｖｅ ａｎｄ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｃｏｌｄ ｐｌａｔｅ ｃａｎ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒｅｍａｉｎｓ ｂｅｌｏｗ ８０ｏＣ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅｄｉｕｍ ｆｌｏｗ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｉｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ １ ｂａｒ．ｗｈｉｃｈ ｃｏｎｃｌｕｄｅｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ＩＧＢＴ ｍｏｄｕｌｅ ｃａｎ ｗｏｒｋ ｒｅｌｉａｂｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ＩＧＢＴ ｍｏｄｕｌｅ；ｃｏｌｄ Ｐｌａｔｅ 风电变流器可以优化风力发电系统的运行，实 小型化及轻量化． 现宽风速范围内的恒频发电，改善风机效率和传输 链的工作状况，提升风能利用率．其工作正常与 否，很大程度上取决于其功率柜内ＩＧＢＴ模块的工 作状态．近年来，随着ＩＧＢＴ模块日趋小型化、集 成化，使得其单位体积发热量逐步增加，热失效已 成为导致ＩＧＢＴ模块损坏的主要原因之一，因此其 某２．ＯＭＷ风电变流器功率柜内共有６个ＩＧＢＴ 模块，每两个为一组，两ＩＧＢＴ模块之间由桥型零 １ 设计要求 件安装固定，间距为固定值（２７２．５ ｍｍ）无法改变． 每个ＩＧＢＴ模块的损耗热量为６．６５ ｋＷ，桥型零件 热设计应力求准确．ＩＧＢＴ模块的散热一般通过冷 板来实现，冷板是一种单流体换热器，可以有效地 带走ＩＧＢＴ模块中的损耗热量，有利于实现设备的 上安装的传感器无损耗热量．每组ＩＧＢＴ模块的外 形结构如图１所示． 收稿日期：２０１６—１０—２８； 修回稿日期 ２０１６—１２—２１．作者简介：姜红霞（１９７８一），女，副研究员 研究方向为车辆及电子设备冷却技术 ・５２・ 车辆与动力技术 ９２８ ７３７３．． 一７３． ．７３一 ．７３． ．７３． ， ２７２．５ ２７２．５ ２７２．５ ‘ ｊ 前 ’ 图１ １ＧＢＴ模块外形图 图２冷板流道布置图 冷却介质为５０％（体积浓度）乙二醇溶液，流量 为４５ Ｌ／ｒａｉｎ，进入冷板的温度为４５ ｑＣ，单个ＩＧＢＴ模 块的发热量为６．６５ ｋＷ，共６个，总发热量为６．６５ ３ 冷板表面温度和介质流动阻力的计算 ３．１冷板表面平均温度计算 ｋＷ×６＝３９．９ ｋＷ．要求冷板表面温度不大于８０℃， 介质流动阻力（冷板入口至出口）不大于１．０ ｂａｒ． 液冷冷板的换热计算，根据对流换热方程和能 量平衡方程进行．参照ＧＢ／Ｔ １５４２８—１９９５《电子设 ２冷板结构及几何参数的确定 依据２．０ＭＷ风电变流器ＩＧＢＴ模块的外形尺 寸及安装特点，结合冷板在变流器功率柜内的安装 方式，同时考虑目前的机械加工能力，初步确定冷 板的材料、外形尺寸及内部流道的各项参数¨ ， 详见表１． 表１冷板几何参数 备用冷板设计导则》中均温冷板的计算方法对冷 板进行设计计算 ．标准中仅对计算步骤进行简 单描述，缺少关键参数——对流换热系数的计算方 法．下面的计算过程中对这部分内容予以研究． 安装于冷板上的ＩＧＢＴ模块的耗散热量Ｑ，通 过对流换热传至冷板，应与冷板通道内循环流动的 冷却介质吸收的热量相平衡，即 Ｑ ＝Ｑ （１） 据此，可以推导出冷板表面平均温度ｔ 的计 算公式．为满足ＩＧＢＴ模块的散热需求，ｔ 应小于 冷板的许用表面温度［ｔ ］． ｅ～７。’。ｔ 一ｔ， ｔ ＝—而 ≤［ｔ ］． （２） 式中：ｔ 、ｔ：分别为介质在冷板进口、出口处的温 度；ＮＴＵ为传热单元数． ｔ 可根据式（１）推导得出，如式（３）所示．经 每个ＩＧＢＴ模块的发热量很大，因此在冷板内 部对应ＩＧＢＴ模块安装位置集中布置流道，后续计 算如果无法满足要求再扩充流道范围进行强化散 计算，当ｔ ＝４５℃时，ｔ ＝５９．８℃． ｑ ｍ‘ Ｃ ｐ ． 热．考虑冷板的进出口位置及流动阻力要求，将流 道走向设计为串并联结合的流动形式（散热介质依 次对每个模块散热的形式为串联，同时对多个模块 式中：Ｑ 为总散热量，取值３９．９ ｋＷ；ｑ 为质量 流量，由体积流量换算得到，为０．７９ ｋｇ／ｓ；定压 比热Ｃ 和比重Ｐ按照进口、出口平均温度选取，Ｐ 散热的形式为并联）．冷板内的流道走向和流道布 局见图２，冷板表面除安装６个ＩＧＢＴ模块外，还 取值ｌ ０５８．０９ ｋｇ／ｍ 、Ｃｏ取值３．３９６ ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ）． ，ｖ 可通过式（４）计算得出． ＮＴＵ＝ｈ・卵０・— 。 为６个放电电阻预留了安装孑Ｌ位．放电电阻的发热 功率很小（单个５０ ｗ），在后续热计算中可忽略 不计． ， Ｄ （４） ｍ式中：ｈ为对流换热系数，ｋＷ／（ｍ ・Ｋ），可通过 公式（５）计算得出；７７。为冷板的总效率，可通过相 １ 葵红随等：风 流 ＩＧＢＴ模块的冷板设汁 的公式 计算得 ，经计算为０．８０３；Ａ为冷板 的对流换热 积，【ｌＪ‘根据冷板『人Ｊ部流道的结构参数计算得ｆ ｎ’Ａ＝０．４９ ｍ！． ４ 仿真分析 采刖ＡＮＳＹＳ公刊开发的专、ＩＩ，Ｉ乜子热分析软件 埘流换热系数呵通过式（５）汁算得山． ／』：Ｊ・Ｇ－ｒ＿１．Ｐ －２ ３， （５） ＩＣＥＰＡＫ进行仿真分析 ． 按照冷板的外形尺寸和流道布 图建立二维模 式ｒｆＩ：．，为考尔本数，与肋片的结构型式和雷 数 有关，经查相应的Ｌ，一．／’（Ｒ ）关系曲线 得出，Ｊ＝ ０．００４；Ｇ为单位 积的质量流最，可以根据及冷 板『人Ｊ部通道的结构参数汁算得ｍ，ｃ＝２ ４８０ ｋｇ／ （ｓ・１１１ ）；Ｐ 为普朗特数，查表ｒ】 得，Ｐ，＝１２．８． 代入后得到ｈ＝６．１６ ｋＷ／（ｍ ・Ｋ）． 将 算出的数值代入公式（４）进行计算得ｆ ＮＴｌ／＝０．８９８． 最后将ｔ 、ｔ！和 数值代入公式（２）汁 算ｆ ． ， ＝６９．９ ｏＣ≤Ｉ＿『、］，其中 ］＝８０￣Ｃ． 综ｆ 所述，Ｉ１前的冷板设计方案能够满足 ＩＧＢＴ模块的散热需求． ３．２介质流动阻力计算 冷饭流道中冷却介质的压降晦小于许用压降 ［ＡＰ】．△ＪＰ的计算公式为 △Ｐ＝ ‘Ｐ１ 『（ １—０－２）＋２（ 一１）＋Ｐ２ ｓ（ ）（ ）一（１＿０－２～ ） ］≤［△Ｐ］， （６） 式ｑ ：Ｐ．、Ｐ 分别为介质住冷板进¨、出Ｅｌ温度处 的密度，Ｐ ＝１ ０６０．９４ ｋｇ／Ｈ１ ，Ｐ！＝１ ０５２．０４ ｋｇ／ｍ ； Ｐ 为冷却介质的平均密度，Ｐ ＝１ ０５６．４９ ｋｇ／ｍ ； ｆｒ为冷板通道横截 积与冷板横敲面积之比，（厂＝ ０．５５２；ｓ为摩擦系数，可查表得到ｓ＝０．０１２；Ａ。 为通道截呵积，可［１］冷板内部流道的结构参数计算 得出，Ａ ＝０．０００ ３２ Ｉｌｌ ；Ｋ 为冷却介质入口时的 压力损失系数，依据不同的通道形式，可查 Ｋ ＝／’（Ｒ ｒ，）得到Ｋ ＝０．５５；Ｋ 为冷却介质出Ｉ－１时 的 力损失系数，依据不同的通道形式，可 表 Ｋ ＝，’（Ｒ ｒ，）得刮 ＝０．４５． 代入公式（７）后，可得△，Ｊ＝０・６９ Ｉ川≤ ［△， ］，其中［△，】］＝１．０ ｂａｒ Ｈ前的冷板设汁 案能够满足冷却介质循环系 统的阻力要求． 型，根据软件建模的特点和要求，同时为简化网格 划分， 保证仿真结果不失真的前提下，对仿 馍 型进行部分简化，主要『人Ｊ容如下： １）忽略ＩＧＢｑ’模块与周围 气的对流换热； ２）忽略辐射敞热【大＿Ｊ素； ３）忽略所有螺钉孔以及‘ｊ冷板传热关系 火 的局部部件 ． 参 冷板的各项参数进行边界条件的没置，进 行仿真运算后得到冷板表面温度分 云图（图３）神Ｉ 冷却介质流动阻力分布云图（图４）． ｝ｌ】图３、图４ ｒＩ『以看出：冷却介质自左侧入【ｌＩ 流人冷板通道，自 侧出口流出，流动过程中 断 吸收热挝温度升高，冷板表面最高温度可达７８．１ ≤［， ］，满足ｌ（；ＢＴ馍块的散热需求．冷却介质 流动 力约为０．７６ Ｉａｒ，’≤［△Ｐ］，满足冷却介质 循环系统的阻力要求． 罡 矧３ 冷板丧帕ｆ温度分 蹲： 陵 誊 尊 ４冷』 ＿．介质流动阻力分 【 Ｉ ５装机试验及试验结果分析 ５．Ｉ 冷板装机试验 将按照前述设计方案加工制造完成的冷板交付 客户，客 ｒＬＩ装机后进行＿，运行试验．试验数据结 为：冷板表面最高温度７６．８ ｏｃ≤ｆ ｔ ］，介质流动 阻力０．８１ ｂａｒ￣＜［△，）］，即冷板能够满足ＩＧＢＩ、的 ・５４・ 车辆与动力技术 散热需求，同时满足冷却介质循环系统的阻力 要求． ５．２对比分析 表２传热计算与仿真分析结果对比 针对某２．０ＭＷ风电变流器ＩＧＢＴ模块的冷板 分别进行设计计算、仿真分析和装机试验，各项结 果如表２所示．参照ＧＢ／Ｔ １５４２８—１９９５《电子设备 用冷板设计导则》中均温冷板的计算方法，设计 计算得出的冷板表面平均温度，与仿真分析得出的 平均温度数值接近，说明设计计算中各项参数计算 和系数的选取是准确的．在实际工况中，冷板表面 不可能是均温的，随着冷却介质不断流动吸热升 温，冷板表面温度也逐步升高．因此，仅通过计算 得出平均温度不超出允许范围，无法确保冷板表面 ６ 结束语 针对某２．０ＭＷ风电变流器ＩＧＢＴ模块的冷板 进行设计计算、仿真分析和装机试验，结果均表 明，冷板能够满足表面温度低于８０％、流动阻力 不超温．与之对应的，仿真分析能够综合模拟发热 元件ＩＧＢＴ模块对冷板的加热和冷却介质对冷板的 散热，得出冷板表面温度分布云图，较为准确地预 小于１ ｂａｒ的指标要求，能够保证ＩＧＢＴ模块正常 工作，进而保证风力发电机组正常运转． 参考文献： 测出冷板表面的最高温度值及其出现的具体位置， 便于有针对性地采取强化传热措施． 对介质流动阻力的计算和仿真分析与前述情况 类似，设计计算仅得出阻力值，仿真分析在得出阻 力值的基础上绘制出阻力分布云图，可以更加直观 地看出阻力分布的具体情况，便于对应采取相应的 措施降低流动阻力，更好的满足设计要求． 装机试验是对设计计算和仿真分析的最终 ［３］ ［１］ 冯静．液体冷板计算仿真研究［Ｊ］．舰船电子对 抗，２０１３，３６（２）：２Ｏ一２２． ［２］ ＧＢ／Ｔ １５４２８—１９９５，电子设备用冷板设计导则［Ｓ］． 北京：国家技术监督局，１９９５． 赵悖殳，等．电子设备热设计［Ｍ］．电子工业出 版社，２００９：１２７． 检验，真实反映冷板的工作状态，验证了设计计算 及仿真分析的准确性．由表２可以看出，理论计 算、仿真分析与装机试验得出的结果基本一致，均 证明了冷板能够满足设计要求． ［４］ 王永康．ＡＮＳＹＳ ＩＣＥＰＡＣＫ电子散热基础教程［Ｍ］． 国防工业出版社，２０１５：１． ［５］ 任恒，关宏山，彭伟．固态发射机末级组件热 设计［Ｊ］．制冷与空调，２０１６，１６（３）：１７—２０． （上接第５０页） 有效． ５ 结 论 某车辆在进行传动轴中问支承支架设计时，通 参考文献 ［１］ 余志生．汽车理论［Ｍ］．北京：机械工业出版 社，２００９． 过仿真计算发现与传动轴存在共振现象，并通过模 拟台架试验验证了仿真计算结果的准确性．在对传 动轴支架进行改进设计后，提高了固有频率，使其 ［２］ 季顺迎．材料力学［Ｍ］．北京：科学出版 社，２０１３． 超出传动轴运转频率范围，两者无共振区，通过仿 真计算、台架模拟试验及实车测试验证了改进措施 ［３］ 阎邦椿．机械设计手册［Ｍ］．北京：机械工业出 版社，２０１０．