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浙江大学学报(工学版)
浙江大学学报(工学版)  2021, Vol. 55 Issue (6): 1159-1167    DOI: 10.3785/j.issn.1008-973X.2021.06.017
电气工程     
电力电子装置强风散热模型简化方法及应用
林弘毅(),郭潇,伍梁,陈国柱*()
浙江大学 电气工程学院，浙江 杭州 310027
Simplification method and application of thermal model of forced air cooling system for power electronic device
Hong-yi LIN(),Xiao GUO,Liang WU,Guo-zhu CHEN*()
College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China
 全文: PDF(1256 KB)   HTML
摘要：

为了提高热设计的设计效率，基于热传导、流体换热、流体力学理论，对典型强迫风冷散热系统进行精确建模，对精确模型进行简化方法的研究. 使用该简化热模型，可以对强迫风冷散热系统进行快速、准确的设计. 采用该简化热模型设计的380 V/50 kVar SiC-MOSFET静止无功补偿器（SVG）的工业化样机，散热器表面温升误差为4.1 ℃（满载条件），满足工程化设计的要求.
关键词： 散热器设计;  简化热模型;  强迫风冷;  静止无功补偿器（SVG）    
Abstract:

The accurate thermal model of the typical forced air cooling system was proposed based on the theory of heat conduction, fluid heat transfer and fluid mechanics in order to improve the design efficiency of thermal design. A simplified thermal model was proposed based on the accurate thermal model. The forced air cooling system can be quickly and accurately designed by the simplified thermal model. The simplified thermal model with the advantages of small calculation amount and high design efficiency was applied to the thermal design of 380 V/50 kVar SiC-MOSFET static var generator (SVG). The surface temperature rise error of the SVG heatsink designed by the simplified model was 4.1 ℃ (full load condition), which meeted the requirements of engineering design.
Key words: thermal design    simplified thermal model    forced air cooling    static var generator (SVG)
收稿日期: 2020-07-13 出版日期: 2021-07-30
CLC:  TM 762  
基金资助: 国家自然科学基金资助项目（51777186）
通讯作者: 陈国柱     E-mail: lhy2007.11@qq.com;gzchen@zju.edu.cn
作者简介: 林弘毅（1996—），男，硕士生，从事大功率电力电子装置及数字控制的研究. orcid.org/0000-0002-4710-4195. E-mail： lhy2007.11@qq.com
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林弘毅
郭潇
伍梁
陈国柱

引用本文:

林弘毅,郭潇,伍梁,陈国柱. 电力电子装置强风散热模型简化方法及应用[J]. 浙江大学学报(工学版), 2021, 55(6): 1159-1167.

Hong-yi LIN,Xiao GUO,Liang WU,Guo-zhu CHEN. Simplification method and application of thermal model of forced air cooling system for power electronic device. Journal of ZheJiang University (Engineering Science), 2021, 55(6): 1159-1167.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/eng/CN/10.3785/j.issn.1008-973X.2021.06.017    或    https://www.zjujournals.com/eng/CN/Y2021/V55/I6/1159

图 1  典型强迫风冷散热系统结构示意图及其Foster热阻网络
图 2  散热器热阻求解的过程
图 3  散热器风道单元热阻模型
图 4  散热器翅片长度c与热阻Rth,h-a的关系
图 5  散热器翅片间距系数si、长L与热阻Rth,h-a的关系
图 6  SVG系统的电路拓扑
符号 参数说明 参数值
Us 电网线电压 380 V
f0 电网频率 50 Hz
Vdc SVG直流侧电压 780 V
Sc SVG额定功率 50 kVar
Ixrms 每只MOSFET输出电流有效值 25 A
fsw 开关频率 50 kHz
Esw,const 开关损耗系数（tc=100 ℃） 17×10?6 J
Esw,k 开关损耗系数（tc=100 ℃） 140×10?6 J
Qrr 二极管反向充电电荷（tc=100 ℃） 230 nC
Ron 导通电阻（tc=100 ℃） 60 mΩ
表 1  SVG的主要电路参数
图 7  散热系统仿真温度场稳态分布图环境（ta = 25 ℃）
参数 仿真值 实验值
Q/W 768 787
Δtc/℃ 38.2 43.1
Δth/℃ 21.1 21.9
Rth,h-a/(K·W?1) 0.027 5 0.027 8
${\sigma _{{R_{{\rm{th}}}}}} $（精确热模型） 20.7% 19.4%
Δth,err/℃ 4.9 4.7
${\sigma _{{R_{{\rm{th}}}}}} $（简化热模型） 18.8% 17.2%
Δth,err/℃ 4.4 4.1
表 2  SVG满载时散热系统的仿真和实验结果
图 8  散热系统测试平台
图 9  SVG满载时，输出电流波形
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