01PART強迫風冷散熱特點及設計要求

強迫風冷是利用風機提高空氣的流動速度，以保證電子設備的良好散熱。研究指出[1]，電子設備運行過程中，其內部的高功率器件會產生大量的熱量，優良的散熱是保證電子設備可靠性的關鍵。強迫風冷散熱工作可靠、易于維修保養、成本相對較低，因此，在電子設備的冷卻系統中，強迫風冷散熱已成為高功率器件散熱的主要方式。但實踐經驗指出[2]，強迫風冷散熱設計的理論計算相對復雜，同時高功率器件的管殼溫度、散熱器以及風機之間相互影響，使得設計人員不能簡單依靠單一因素確定散熱器結構或確定風機。如何在相互影響的關系中進行散熱計算，并最終將管殼（或管芯）的溫度控制在要求范圍內，成為逆變焊機強迫風冷散熱設計的關鍵。本文結合長期的工作實踐，提出了逆變焊機強迫風冷下IGBT 模塊散熱設計理論計算方法，并通過仿真分析、樣機測試驗證此計算方式的正確性。

02PART逆變焊機熱設計理論計算

2.1 設計指標

（1）電氣指標。

本次設計的逆變焊機型號為NBC-500，其額定輸出功率Pout=19.5 kW，整機損耗P損=2.7 kW，額定負載持續率為100%。該設備開關器件為IGBT模塊（型號為SKM100GB12T4），電路拓撲為全橋移相諧振軟開關電路，如圖1所示。通過設計計算及在線仿真分析[3]，其工作狀態時的總損耗為PIGBT=647.2 W。

 

（2）結構指標。

在現有結構基礎上，采用軸流風機向前吹風的直通風道形式，其風道尺寸為555 mm×295 mm×307.5 mm，風向如圖2所示。直通風道風阻小，可以在保證大功率器件有效散熱的同時降低熱設計的成本，而且能減少風扇馬達過熱引起的故障；其次吹風方式有利于風量的集中，可以對發熱區域實施集中冷卻，減少機器內部的灰塵聚積量。

 

2.2 風機選型

（1）確定風機工作點。

風機的作用是將設備內部的熱量帶出至外部環境，設計計算過程中可假定風機能夠達到理想狀態，即風機能夠帶走所有的熱量，因此，可根據熱平衡方程初步計算所需風機的工作點風量[4]：

  

式中L為風機的風量；ρ為空氣密度，為1.29kg/m3；cp為空氣比熱容，其值為1.005kJ/（kg·K）；T1通常情況下應小于50℃；國標要求Ta=40℃。

（2）計算最大風量并選型。

當風機工作點風量確定之后，按1.5~2倍裕量確定風機的最大風量，在本焊機中取1.5即可，因此所需風機的最大風量：

 

本次設計采用健策（Jamicon)軸流風機225*225*80，其最大風量為1020m3/h，滿足設計要求。風機P-Q曲線以及結構尺寸如圖3、圖4所示。

 

 

2.3 計算出風面積

風機型號確定后，根據軸流風機確定焊機出風面積。

（1）風扇進風面積S1。

 

式中K為冗余系數，其取值范圍為1.1~1.2，本設計取1.2。

（2）焊機總出風面積S2。考慮空氣受熱膨脹，應按照1.5~2倍裕量設計出風面積，本次設計中取1.5：

 

（3）出風面積核算。

根據產品外觀要求，焊機的出風口設計在前面板（共28個）和側板（共60個）的百葉窗，且百葉窗均為鈑金沖壓而成，尺寸如圖5、圖6所示。

 

 

前面板百葉窗出風面積Sq：

 

側板百葉窗出風面積Sc：

 

由于Sq+Sc=5.48×10-2 m2>S2，故焊機出風面積能夠滿足設計要求。

2.4 散熱器設計

公司焊機產品普遍采用肋片式散熱器，材料為6063鋁合金，導熱系數λ=201 W/（m·k），具有易加工、成本低的特點。在電氣設備中散熱器可以將IGBT等器件的熱量迅速可靠地從基板傳導至翅片，再通過風冷或對流輻射向外部環境傳導，因此，當溫度達到穩定工作狀態后散熱器的散熱量q應大于等于IGBT功耗PIGBT。

IGBT散熱器的功率傳導示意如圖7所示[5]，可以得出IGBT每個管芯工作結溫Tj=（Rjc+Rch）PIGBT/4+Th。查找IGBT技術手冊，其Rjc=0.27 K/W；Rch與導熱硅脂有關，通常情況下Rjc=0.05 K/W。根據公司可靠性測試標準，IGBT最高工作結溫Tj為135℃，為保證整機的可靠性取Tj=125℃，因此設計的散熱器表面溫度Th≤73℃。

 

散熱器的最大散熱量可根據式（7）確定[6]：

 

式中q為散熱器的散熱量；k為校正系數，取0.7；hc為對流換熱系數[單位：W/（m2·℃）]；F為散熱器表面積（單位：m2），是待求量；△t為散熱器臺面溫升，△t=33℃；η’為散熱器的散熱效率。

（1）計算強迫風冷散熱對流換熱系數hc：

 

式中cp為空氣的比熱容，其值為1.005 kJ/（kg·K）；G為通道單位面積的質量流量，單位：kg/（m2·s）；ρ為空氣密度，其值為1.29 kg/m3；V為風機風速，由數顯式風速儀測得，V=6 m/s；Pr為普朗特數，取0.696；J為考爾本數，對于肋片式散熱器，其值由式（9）求得；Re為雷諾數；de散熱器當量水利直徑，其值由散熱型材決定，本設計所用散熱器de=7.15×10-3mm；μ為空氣的粘性，其值為1.94×10-5Pa·s。

將各參數代入式（8），可得

 

（2）計算散熱器的散熱效率η'：

 

式中。

（3）確定所需散熱器長度。

將以上計算結果代入式（7），可以求得散熱器表面積F：

 

因此所需散熱器表面積F=1.13m2，在三維軟件SW中賦予散熱器一定長度，散熱器長度為230mm時能夠滿足散熱要求。

03PART逆變焊機熱設計仿真分析

對逆變焊機進行熱設計仿真分析時，僅考慮對散熱影響較大的因素，與散熱無關的結構可適當進行簡化，在Ansys Icepak 15.0中，采用自建模方式對三維結構進行簡化[7]，簡化后計算區域包含設計的風機、散熱器及通風百葉窗（如圖8所示），輸入相應的設計參數，環境溫度設定為40℃。根據上述分析，將IGBT模塊簡化為恒定功耗的發熱源，采用標準發熱體溫升對比的方式，通過檢測散熱器的溫度，可以判斷IGBT結溫是否滿足要求。在熱源IGBT1中心點設定監測點1（散熱器表面溫度Th），在發熱源附近設置檢測點2（實際產品中溫度繼電器的位置）。采用非結構化網格形式對計算區域進行劃分，然后求解計算。求解后散熱器溫度分布云圖顯示（見圖9），Th 為72℃，檢測點2溫度為65℃，與設計指標相符。

 

 

04PART逆變焊機熱設計測試驗證

實物樣機如圖10所示，按照可靠性測試標準進行測試。測試樣機在恒溫箱中進行，以保證環境溫度恒定在40℃。為保證觀察結果的準確性，在測試前將IGBT模塊開殼，并將芯片上部的密封膠處理干凈，然后涂抹適量導熱硅脂。實驗過程中采用熱成像儀（FULUKE）觀測IGBT結溫，測試結果顯示，IGBT管芯結溫Tj=123℃，故Th=Tj-（Rjc+Rch）PIGBT/4=71℃，與仿真分析結果基本一致，說明符合設計指標。

 

05PART結 論

逆變焊機強迫風冷散熱設計較為復雜，同時需要考慮較多的外界因素。本文結合實際經驗，對各環節進行詳細計算，得出合理的IGBT散熱設計數據，設計結果顯示，本研究的理論計算方法可以用于逆變焊機強迫風冷散熱的熱設計計算。