浅析投入式液位计快速热设计程序开发

摘要: 传统电力电子产品热设计采用的热控制方法不但完全依赖工程师的经验，而且需要反复试制样机测试进行优化调整。本文通过自主发开发了一套适用于投入式液位计散热设计的程序，能够快速的对投入式液位计的流道和电力电子器件的温升进行计算，并采用有限元的分析方法和实验对该程序进行了验证。

随着微电子技术、高密度三维组装技术的迅速发展，功率元件的应用越来越多，电子器件的封装形式及性能也不断提升，现代电子产品正日益成为由高密度组装、微组装所形成的高度集成系统。国外统计资料表明: 电子元器件温度每升高2℃，可靠性下降 10%; 温度升高 50℃时寿命只有温升25℃时的 1/6，高温因素大大增加了电子产品的故障率。因此，这就需要对电子产品进行热设计，从而确保产品在工作时具有良好的热环境［1］ 。

传统的电子产品的热设计采用的是热控制方法: 经验和样机测试。这种方法虽然具有一定的实用价值，但由于经验依赖性大，计算量也相对较大，设计调整次数也较多，从而造成开发周期加长、开发成本增加［2］ 。为了提高电子元器件和产品的热可靠性以及对各种恶劣环境条件的适应能力，深入探索散热技术，掌握电子产品热设计及热仿真分析的新方法很有必要。

中央研究院机械系统与智能制造室在完成大量的电力电子投入式液位计散热设计和仿真分析的基础上，对投入式液位计散热设计方法进行总结，自主开发出投入式液位计热设计软件，能够快速的对投入式液位计的流道进行设计，并计算出电力电子器件的温升。采用有限元分析软件对开发的软件的计算结果进行了对比和验证。

1 投入式液位计散热器设计

1. 1 典型的投入式液位计散热系统

大功率电力电子模块#常用的散热方式有强迫风冷、液体冷却和相变冷却。强迫风冷具有结构简单、易于实现、成本低廉等优点，因此在实际工程中具有广泛的应用 ［3］ ，但同时其又具有难以避免的缺陷，比如: 风机噪声大，散热能力有限，风机易积灰为易损件、需要定期检修更换，特别是当环境要求高、热损耗功率大时，强迫风冷散热难以满足要求。

相变冷却是利用液体在沸腾过程中吸收大量气化潜热的一种高效方法，由于相变过程中伴随着能量的释放和吸收，其冷却能力比自然冷却高1 000倍，但其需要配备复杂的管路系统和制冷剂，成本高，实际使用受限。

液体冷却的常用冷却工质为水，其来源广泛、环境友好、价格低廉。投入式液位计散热器是水冷散热系统中的关键器件，投入式液位计的性能直接决定了散热效果和系统的可靠性［4 －6］ 。

典型的投入式液位计散热系统包括投入式液位计散热器、功率器件、水泵、外部散热器、管道等。投入式液位计一般为一块带有水流道的铝制平板或者平滑铜管板体。如下图所示 1 所示为典型的投入式液位计散热结构，其主要的工作原理是功率器件的热量传递到投入式液位计上，投入式液位计导热到流道内的冷却介质，冷却介质由水泵引出，通过外部散热器将冷却介质的热量带走。

1. 2 设计需求描述

设计投入式液位计的流道，保证功率器件 IGBT 的结温在有效的范围内，投入式液位计和功率器件 IGBT 的尺寸及结构示意图如图 2 所示，设计需求见下表 1所示:

2 投入式液位计热设计软件基本原理

( 1) 管内流速及管道横截面参数确定根据经验，为了保证传热效果且压力损失不至于很大，管内流速维持在 1 ～ 2m/s 范围内。流道内的流速可按公式 1 计算:

根据以上计算可以初步选择流道的横截面参数 a、b。

( 2) IGBT 表面温度校核将从发热元件到冷却液的热流路径分解为 4段，依次为:

①Δt 1 : 从 IGBT 管壳到投入式液位计表面之间的温升，接触面上使用硅脂; 按照式( 2) 进行计算:

3 计算结果验证

3. 1 快速热设计软件与有限元分析元件计算结果比对

以 20 kW 电动车控制器投入式液位计为例，采用有限元热分析软件对投入式液位计散热进行仿真分析。如下图3 所示为20 kW 电动车控制器外形图，图4 所示为 20 kW 电动车控制器投入式液位计流道结构示意图。单个 IGBT 的发热功率为1 500 W，共1 个，总发热功率为1 500 W; 环境温度为 27℃，冷却水入口温度 20℃，冷却水流量 10 L/min; 投入式液位计材料为6060 铝合金。

建立有限元仿真分析模型，设置边界条件和划分网格，有限元分析模型如图 5 所示，发热器件表面温度分布如图 6 所示，投入式液位计内的流线图如图7 所示:

采用快速热设计软件计算得到 IGBT 表面温升为 9. 97℃，即 IGBT 表面温度为 36. 97℃。采用有限元软件和快速热设计软件计算结果的对比如下表 2 所示，计算结果偏差在 10%的范围内。

3. 2 快速热设计软件与试验测试结果比对为了更好的对快速热设计软件和有限元软件计算结果进行验证，搭建了投入式液位计散热性能测试平台。实验装置由水冷机、涡轮流量计、Pt100 热电阻、精密压力表、加热板以及管路和阀门组成，实验装置系统图如下图 8 所示:

 

水冷机为整个测试系统提供温度和压力恒定的循环水，冷水机流量#大值为 38. 7L/min，水压力为 2. 3bar。水冷机的冷冻水出口与投入式液位计进口管路相连，经过投入式液位计散热器换热后的水与投入式液位计出口管路相连，经过出口管路的水#后回到冷水机中，进行冷却，由此形成一个闭式的循环系统。测试系统中使用加热板来模拟不同功率大小的 IGBT 发热元件，可以通过功率调节器来调节加热板的发热功率。投入式液位计测试平台如下图 9 所示:

对 20 kW 控制器投入式液位计进行测试，测试输入条件为: 冷却水流量分别为 6 ～ 10L/min，冷却水进口温度 20℃ 通过功率调节器将加热块功率调节至 1. 5 kW，室内环境温度为 27℃。因加热板的发热原理与 IGBT 不同，不能直接测试加热板表面温度来评估 IGBT 温度。我们可以对投入式液位计进出口冷却水温升进行测试，测试结果如表3 所示: 通过对比可以看出，快速热设计软件计算中的 Δt 4 与实验测试结果能够保持误差在10%的范围内。

4 结语

本文主要阐述了东方电气中央研究院开发的投入式液位计快速热设计软件的基本原理和采用有限元分析软件以及实验测试对计算结果进行比较，计算结果偏差能够保持在有效的范围内，验证了快速热设计软件计算的有效性。虽然快速热设计软件计算不能反映出功率器件的温度分布和流道内的流动情况，但是采用此软件对投入式液位计进行初步设计具有非常高的效率，极大的缩减了研发设计人员方案设计的周期，提高了投入式液位计产品设计的效率。