01PART强迫风冷散热特点及设计要求

强迫风冷是利用风机提高空气的流动速度，以保证电子设备的良好散热。研究指出[1]，电子设备运行过程中，其内部的高功率器件会产生大量的热量，优良的散热是保证电子设备可靠性的关键。强迫风冷散热工作可靠、易于维修保养、成本相对较低，因此，在电子设备的冷却系统中，强迫风冷散热已成为高功率器件散热的主要方式。但实践经验指出[2]，强迫风冷散热设计的理论计算相对复杂，同时高功率器件的管壳温度、散热器以及风机之间相互影响，使得设计人员不能简单依靠单一因素确定散热器结构或确定风机。如何在相互影响的关系中进行散热计算，并最终将管壳（或管芯）的温度控制在要求范围内，成为逆变焊机强迫风冷散热设计的关键。本文结合长期的工作实践，提出了逆变焊机强迫风冷下IGBT 模块散热设计理论计算方法，并通过仿真分析、样机测试验证此计算方式的正确性。

02PART逆变焊机热设计理论计算

2.1 设计指标

（1）电气指标。

本次设计的逆变焊机型号为NBC-500，其额定输出功率Pout=19.5 kW，整机损耗P损=2.7 kW，额定负载持续率为100%。该设备开关器件为IGBT模块（型号为SKM100GB12T4），电路拓扑为全桥移相谐振软开关电路，如图1所示。通过设计计算及在线仿真分析[3]，其工作状态时的总损耗为PIGBT=647.2 W。

 

（2）结构指标。

在现有结构基础上，采用轴流风机向前吹风的直通风道形式，其风道尺寸为555 mm×295 mm×307.5 mm，风向如图2所示。直通风道风阻小，可以在保证大功率器件有效散热的同时降低热设计的成本，而且能减少风扇马达过热引起的故障；其次吹风方式有利于风量的集中，可以对发热区域实施集中冷却，减少机器内部的灰尘聚积量。

 

2.2 风机选型

（1）确定风机工作点。

风机的作用是将设备内部的热量带出至外部环境，设计计算过程中可假定风机能够达到理想状态，即风机能够带走所有的热量，因此，可根据热平衡方程初步计算所需风机的工作点风量[4]：

  

式中L为风机的风量；ρ为空气密度，为1.29kg/m3；cp为空气比热容，其值为1.005kJ/（kg·K）；T1通常情况下应小于50℃；国标要求Ta=40℃。

（2）计算最大风量并选型。

当风机工作点风量确定之后，按1.5~2倍裕量确定风机的最大风量，在本焊机中取1.5即可，因此所需风机的最大风量：

 

本次设计采用健策（Jamicon)轴流风机225*225*80，其最大风量为1020m3/h，满足设计要求。风机P-Q曲线以及结构尺寸如图3、图4所示。

 

 

2.3 计算出风面积

风机型号确定后，根据轴流风机确定焊机出风面积。

（1）风扇进风面积S1。

 

式中K为冗余系数，其取值范围为1.1~1.2，本设计取1.2。

（2）焊机总出风面积S2。考虑空气受热膨胀，应按照1.5~2倍裕量设计出风面积，本次设计中取1.5：

 

（3）出风面积核算。

根据产品外观要求，焊机的出风口设计在前面板（共28个）和侧板（共60个）的百叶窗，且百叶窗均为钣金冲压而成，尺寸如图5、图6所示。

 

 

前面板百叶窗出风面积Sq：

 

侧板百叶窗出风面积Sc：

 

由于Sq+Sc=5.48×10-2 m2>S2，故焊机出风面积能够满足设计要求。

2.4 散热器设计

公司焊机产品普遍采用肋片式散热器，材料为6063铝合金，导热系数λ=201 W/（m·k），具有易加工、成本低的特点。在电气设备中散热器可以将IGBT等器件的热量迅速可靠地从基板传导至翅片，再通过风冷或对流辐射向外部环境传导，因此，当温度达到稳定工作状态后散热器的散热量q应大于等于IGBT功耗PIGBT。

IGBT散热器的功率传导示意如图7所示[5]，可以得出IGBT每个管芯工作结温Tj=（Rjc+Rch）PIGBT/4+Th。查找IGBT技术手册，其Rjc=0.27 K/W；Rch与导热硅脂有关，通常情况下Rjc=0.05 K/W。根据公司可靠性测试标准，IGBT最高工作结温Tj为135℃，为保证整机的可靠性取Tj=125℃，因此设计的散热器表面温度Th≤73℃。

 

散热器的最大散热量可根据式（7）确定[6]：

 

式中q为散热器的散热量；k为校正系数，取0.7；hc为对流换热系数[单位：W/（m2·℃）]；F为散热器表面积（单位：m2），是待求量；△t为散热器台面温升，△t=33℃；η’为散热器的散热效率。

（1）计算强迫风冷散热对流换热系数hc：

 

式中cp为空气的比热容，其值为1.005 kJ/（kg·K）；G为通道单位面积的质量流量，单位：kg/（m2·s）；ρ为空气密度，其值为1.29 kg/m3；V为风机风速，由数显式风速仪测得，V=6 m/s；Pr为普朗特数，取0.696；J为考尔本数，对于肋片式散热器，其值由式（9）求得；Re为雷诺数；de散热器当量水利直径，其值由散热型材决定，本设计所用散热器de=7.15×10-3mm；μ为空气的粘性，其值为1.94×10-5Pa·s。

将各参数代入式（8），可得

 

（2）计算散热器的散热效率η'：

 

式中。

（3）确定所需散热器长度。

将以上计算结果代入式（7），可以求得散热器表面积F：

 

因此所需散热器表面积F=1.13m2，在三维软件SW中赋予散热器一定长度，散热器长度为230mm时能够满足散热要求。

03PART逆变焊机热设计仿真分析

对逆变焊机进行热设计仿真分析时，仅考虑对散热影响较大的因素，与散热无关的结构可适当进行简化，在Ansys Icepak 15.0中，采用自建模方式对三维结构进行简化[7]，简化后计算区域包含设计的风机、散热器及通风百叶窗（如图8所示），输入相应的设计参数，环境温度设定为40℃。根据上述分析，将IGBT模块简化为恒定功耗的发热源，采用标准发热体温升对比的方式，通过检测散热器的温度，可以判断IGBT结温是否满足要求。在热源IGBT1中心点设定监测点1（散热器表面温度Th），在发热源附近设置检测点2（实际产品中温度继电器的位置）。采用非结构化网格形式对计算区域进行划分，然后求解计算。求解后散热器温度分布云图显示（见图9），Th 为72℃，检测点2温度为65℃，与设计指标相符。

 

 

04PART逆变焊机热设计测试验证

实物样机如图10所示，按照可靠性测试标准进行测试。测试样机在恒温箱中进行，以保证环境温度恒定在40℃。为保证观察结果的准确性，在测试前将IGBT模块开壳，并将芯片上部的密封胶处理干净，然后涂抹适量导热硅脂。实验过程中采用热成像仪（FULUKE）观测IGBT结温，测试结果显示，IGBT管芯结温Tj=123℃，故Th=Tj-（Rjc+Rch）PIGBT/4=71℃，与仿真分析结果基本一致，说明符合设计指标。

 

05PART结 论

逆变焊机强迫风冷散热设计较为复杂，同时需要考虑较多的外界因素。本文结合实际经验，对各环节进行详细计算，得出合理的IGBT散热设计数据，设计结果显示，本研究的理论计算方法可以用于逆变焊机强迫风冷散热的热设计计算。