IGBT元件热管冷却传热性能的实验与数值研究

摘要

IGBT元件广泛应用于变频器、逆变器、电力传动等各个方面，工作时处在频繁的开关状态，功率损耗大，其散热条件的好坏，关系到其运行的稳定性、可靠性及使用寿命。IGBT元件的冷却方式有多种，热管冷却是大功率IGBT元件有效的冷却方式之一。目前多数研究者仅注重研究热管本身，没有把与热管相连的换热器其他部位（如翅片、冷板）作为一个整体来研究，所提供的传热系数缺乏工程上的普遍性和实用性。本文定义了一个具有很强应用性的总传热系数这一概念，通过实验和数值方法研究不同工况和翅片尺寸下的热管换热器的总传热系数k，把IGBT功率、冷板最高温度和气流来流速度联系在一起，这样表征的热管换热器为IGBT热管冷却的研究与工程应用之间搭建桥梁。
　　首先，本文对BSM10GP120型IGBT的热损耗进行估算，并分析热管冷却IGBT的传热过程中各段热阻。其次，把整个热管换热器分成上下两部分来研究，用Fortran语言对冷板部位的传热过程进行数值模拟，得到冷板在不同尺寸和内弧半径下导热的形状因子。通过对热管换热器整体传热过程的分析，得到两个部分传热系数k1、k2的表达式，两部分传热的表达式通过绝热段的工质温度tin联系在一起，进而整合出整个换热器的总传热系数k。然后，对热管换热器进行实验研究。在三种热流密度下，测量不同风速条件时换热器冷板的壁面温度及空气流经翅片的进出口温度、进出口压差等，得到对应工况下换热器的传热系数、阻力系数。最后，用Icepak软件对热管换热器进行数值模拟和分析。比较和分析翅片宽度分别为38mm、42mm、46mm、50mm及54mm时对应的冷板温度、换热器的传热系数、翅片表面对流换热系数、换热器前后压差、努塞尔数、翅片肋效率;保持翅宽为定值，比较和分析翅片间距分别为2mm、2.3mm、2.6mm、2.9mm、3.2mm时对应的冷板温度、换热器的传热系数、翅片表面对流换热系数、换热器前后压差、努塞尔数、翅片肋效率。
　　1)通过对冷板导热的数值模拟数值模拟，得到不同尺寸的冷板的导热形状因子。冷板的形状因子的值呈现随冷板厚度的增大而减小，随内弧半径的增大而增大的规律。
　　2)通过实验研究得到热管换热器在不同风速下的总传热系数及翅片侧的阻力系数。在入口风速较小时，冷板温度的下降趋势大于进出口压差的上升趋势;在入口风速达到一定值时，进出口压差的上升趋势要大于温度的下降趋势。
　　3)在片间距及加热功率和来流风速一定时，随着换热器翅片宽度的增加，冷板温度降低，换热器传热系数升高，进出口压差也随之升高;随翅片宽度的进一步增加，冷板温度降低幅度变缓，而换热器进出口压差升高幅度变大。
　　4)在翅片宽度及加热功率和来流风速一定时，随着换热器翅片间距的减小，冷板温度下降，换热器总传热系数上升，进出口压差增大;随翅片间距的进一步减少，冷板温度降低幅度变缓，换热器进出口压差升高幅度变大。

目录

声明

摘要

1．绪论

1．1 背景

1．2 国内外研究现状

1．3 研究目的及意义

1．3．1 研究目的

1．3．2 研究的意义

1．4 本文的工作

2．IGBT的热损耗及热管冷却IGBT的热阻分析

2．1 IGBT的热损耗

2．1．1 IGBT的导通损耗

2．1．2 IGBT的开关损耗

2．1．3 二极管的导通损耗

2．1．4 二极管的开关损耗

2．2 热阻分析

2．2．1 IGBT的热阻分析

2．2．2 热管换热器的热阻分析

3．热管换热器的传热模型

3．1 换热器的冷板、蒸发段、绝热段部分

3．1．1 冷板及其形状因子

3．1．2 换热器的蒸发段、绝热段部分

3．2 换热器的绝热段、冷凝段、翅片部分

3．3 换热器的整体传热过程

4．热管换热器的传热及阻力特性实验

4．1 实验系统组成

4．2 实验方法及步骤

4．2．1 测温热电偶标定

4．2．2 测温电阻网标定

4．2．3 实验系统安装

4．2．4 实验步骤

4．3 实验数据处理方法

4．3．1 风道内的空气密度

4．3．2 风道内的气流速度和雷诺数

4．3．3 阻力系数

4．3．4 翅片的对流换热系数及努塞尔数

4．4 实验结果与分析

4．4．1 热管换热器传热性能的实验研究

4．4．2 热管换热器流动阻力的实验研究

5．热管换热器的数值模拟

5．1 关于Icepak

5．2 Icepak建模、边界条件及网格划分

5．2．1 Icepak建模

5．2．2 边界条件

5．2．3 网格划分

5．3 模拟结果分析

5．3．1 和实验对比分析

5．3．2 不同翅片宽度的模拟结果分析

5．3．2 不同翅片间距的模拟结果分析

5．3．3 单侧冷却和双侧冷却的对比

结论

致谢

参考文献

主要符号表

附录A 不同翅片宽度时的模拟数据

附录B 不同片间距时的模拟数据

攻读学位期间的研究成果