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          基于散熱器設(shè)計的大功率IGBT散熱器水冷熱阻計算

          作者: 時間:2014-01-22 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          為了優(yōu)化水冷散熱器散熱能力,保障其可靠工作,引用了傳熱學(xué)中的基本原理與公式,以散熱器外形的機械尺寸、水的強制對流換熱系數(shù)和水的導(dǎo)熱系數(shù)作為參數(shù)及變量推導(dǎo)了散熱器水冷熱阻的計算公式。同時為了滿足實際應(yīng)用,開發(fā)了一種專用水冷散熱器熱阻計算和曲線繪制軟件,可以顯示熱阻隨參數(shù)變化而變化的各種曲線,也可以直接計算顯示熱阻值。為散熱器的設(shè)計中參數(shù)的優(yōu)化選擇提供直觀方便的參考。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/226728.htm

          和諧型電力機車是采用半導(dǎo)體技術(shù)的交直交變流型電力機車。由于其具有先進的交流變頻調(diào)速、再生發(fā)電制動、交流電機控制和自動化程度高等技術(shù)特點,使其在鐵路主干線運輸中的高速機車上廣泛應(yīng)用。每臺機車的變流器使用了三種模塊,即:四象限斬波器(4QC)模塊、電機側(cè)逆變器模塊(Inv)和輔助逆變器模塊。對某機務(wù)段2009年7月到2011年5月4日為止的305臺HXD1B電力機車變流器故障進行調(diào)研,結(jié)果發(fā)現(xiàn),合計共有4 880個模塊在使用,出現(xiàn)故障255件次,出故障的模塊顯示至少有一個芯片失效,至今為止還未見除功率半導(dǎo)體器件外的原因造成的模塊故障,這種故障隨著季節(jié)性環(huán)境溫度的升高而增多。由此推斷,IGBT失效與其散熱狀況密切相關(guān),所以對于電子器件的冷卻和數(shù)熱成為后期研究的重點之一。通過研究器件的冷卻和散熱問題,對其散熱條件進行優(yōu)化改造,使其能盡量長時間工作在溫度適宜的環(huán)境下,降低事故發(fā)生率,從而對于維護鐵路機車安全運行有重要作用。

          本文通過對大功率IGBT散熱器的散熱過程分析,先引用了傳熱學(xué)中的基本原理與公式,將熱阻的計算分為散熱器內(nèi)固體傳熱過程產(chǎn)生的導(dǎo)熱熱阻以及散熱器與冷卻液間的傳熱過程產(chǎn)生的對流換熱熱阻兩部分,以散熱器外形的機械尺寸、水的強制對流換熱系數(shù)和水的導(dǎo)熱系數(shù)作為參數(shù)及變量推導(dǎo)了散熱器水冷熱阻的計算公式。為了簡化分析,編制了用于熱阻計算的軟件。該軟件具有簡單清晰的操作界面,可以顯示熱阻隨參數(shù)變化而變化的各種曲線,也可以直接計算顯示熱阻值。為散熱器的設(shè)計分析提供直觀方便的參考。

          1 傳熱學(xué)的基本公式和原理

          1.1 熱傳遞的原理與基本方式

          熱傳導(dǎo)導(dǎo)熱的基本公式為:

          Q=KA△T/△L (1)

          式中Q代表為熱量,也就是熱傳導(dǎo)所產(chǎn)生或傳導(dǎo)的熱量;K為材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)。△T代表兩端的溫度差;△L則是兩端的距離。對流指的是流體(氣體或液體)與固體表面接觸,造成流體從固體表面將熱帶走的熱傳遞方式。

          熱對流的公式為:

          Q=hA△T (2)

          式中:Q依舊代表熱量,也就是熱對流所帶走的熱量;h為熱對流系數(shù)值;A為熱對流的有效接觸面積;△T代表固體表面與區(qū)域流體之間的溫度差。1.2 熱阻的計算

          熱阻代表了導(dǎo)熱過程中的阻力,它是一種反映阻止熱量傳遞的能力的綜合參量。為了簡化分析,將散熱器模型簡化后,認(rèn)為存在對流換熱熱阻以及導(dǎo)熱熱阻兩種形式。在散熱器的平面板內(nèi)存在導(dǎo)熱熱阻。計算公式為:

          Rnd=L/KA (3)

          式中:L代表散熱器平板厚度;K代表板材鋁的熱導(dǎo)率;A代表垂直熱流方向的截面積即平板面積。

          散熱器內(nèi)的水與散熱片之間的熱阻是對流換熱熱阻。計算公式為:

          Rnv=1/hAs (4)

          式中:As代表總的有效對流換熱面積;h代表對流換熱系數(shù),它與努塞爾數(shù)有關(guān)。根據(jù)努塞爾數(shù)的計算公式可反推h的計算公式如下:

          基于散熱器設(shè)計的大功率IGBT散熱器水冷熱阻計算

          式中:Nu代表努塞爾數(shù);λf代表流體導(dǎo)熱系數(shù);h這里應(yīng)該是水強制對流導(dǎo)熱系數(shù);Dh是表征傳熱面的幾何特征長度,這里代表管道水力直徑。

          定義散熱器的總熱阻計算如下:

          Rtd=RnvλfB+RndKB (6)

          式中:B代表散熱器的寬度,其他數(shù)值都在前面有所介紹。當(dāng)散熱器外形尺寸固定的情況下,由式(3)可知Rnd為一定值,K與B都為固定值。λf不變,則散熱器的總熱阻就與Rnv直接相關(guān)。下面來看散熱器的對流換熱熱阻。由式(5),式(6)可得:


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