大功率电子器件低温差散热的理论与实验研究

摘要

大功率晶闸管广泛应用于特高压直流输电等大功率电力电子装置。除了器件本身所使用的半导体材料特性及其加工制造工艺外，晶闸管的散热性能也是影响其物理特性的重要因素之一。有效改善晶闸管的散热性能，保证其稳定工作，对延长其寿命，保证电力电子装置的可靠性和稳定性有十分重要的意义。
　　 晶闸管的工作温度一般控制在70℃左右，与环境温度间的换热温差很小，属于低温差散热。本文在了解国内外研究现状的基础上，通过理论分析确定了低温差散热系统方案，建立了大功率电子器件低温差散热装置的实验平台，并通过实验分析研究大功率电子器件低温差散热装置的散热性能。实验结果表明：散热系统的水力特性、电阻率特性、热交换性能和控制性能能够满足散热系统以及SVC(静止无功补偿装置)阀组的要求。其中主循环回路电阻率≥3MΩ·cm，去离子回路电阻率≥5MΩ·cm；热管散热器散热效果良好；控制系统通过参数设置和在线检测实现参数越限报警以及和主控制器的联锁互动，通过电加热器、电动三通阀和散热风机调节供水温度，实现了全自动温控。
　　 散热器是散热系统中的重要部件，本文通过数值模拟的方式对其进行优化设计。提出了双层螺旋盘管和交叉槽道两种新型通道晶闸管散热器，并利用Fluent软件对它们与弯管通道散热器的流动与换热特性进行了数值模拟，获得了不同工况下的速度场及温度场分布。弯管通道散热器模拟结果表明：随着流体流速的增大，晶闸管最高温度和平均温度都逐渐下降，流体进出口压差逐渐上升，流体的最佳流速范围为1.5 m/s-2 m/s；随着流体进口温度的升高，晶闸管最高温度和平均温度都逐渐增加，而且几乎为线性增加；环境温度对晶闸管散热器的散热效果影响不大。三种散热器模拟结果表明：采用双层螺旋盘管通道散热器，晶闸管温度场分布比较均匀，温升较小，在相同Re下j因子约为弯管通道散热器的1.5倍；交叉槽道通道散热器的流动阻力较小，在相同Re下f因子约为弯管通道散热器的1/4；综合考虑阻力和换热特性，双层螺旋盘管通道散热器的性能最佳，但在输送动力不足的情况下可选用交叉槽道通道散热器。

目录

文摘

英文文摘

致谢

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究的主要内容

2 大功率电子器件低温差散热系统的设计

2.1 散热系统方案

2.2 散热系统原理

2.3 散热系统设计

2.4 散热系统主要设备选型

2.5 系统布置

2.6 本章小结

3 大功率电子器件低温差散热系统的性能研究

3.1 水力特性实验

3.2 电阻率特性实验

3.3 热交换性能实验

3.4 控制性能实验

3.5 本章小结

4 大功率电子器件低温差散热器的数值模拟与优化

4.1 Fluent数值计算软件简介

4.2 散热器数学模型建立

4.3 散热器的数值模拟

4.4 散热器的优化

4.5 本章小结

5 结论与展望

附 图

参考文献

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