為了提高大功率高功率密度電力電子裝置熱設計的準確性和設計效率，浙江大學電氣工程學院的研究人員林弘毅、伍梁 等，在2021年第16期《電工技術學報》上撰文，綜合熱傳導、對流換熱與流體力學理論，針對電力電子裝置的典型強迫風冷散熱系統，提出基于截面積二次方根為無量綱特征長度的綜合熱模型，并提出一種強迫風冷散熱系統體積最優的優化設計方法。
研究結果表明，本綜合熱模型相對于傳統熱模型精度提升62%，證明了綜合熱模型的準確性。基于所提出的優化方法設計的散熱系統體積4.03L，對比傳統方法設計的體積5.7L，體積縮小30%，從而證明了本方法的可行性。
電力電子器件在工作中會產生損耗，這些損耗會轉化為熱量。若熱設計不合理，電力電子器件的結溫過高，將導致電力電子器件的失效率增大，較高的過溫還會造成器件燒毀，直接影響電力電子裝置的壽命和可靠性。隨著大功率電力電子裝置向高功率密度發展，電力電子器件的散熱問題越來越突出，進而影響了電力電子裝置的可靠性和穩定性，成為電力電子裝置功率密度進一步提高的瓶頸。
隨著寬禁帶器件的發展，電力電子裝置的開關頻率得以提升，無源器件的體積顯著減小。對基于寬禁帶器件的強迫風冷電力電子裝置而言，散熱系統（包括散熱器和風扇）占裝置總體積的25%以上。因此，散熱系統體積優化對提高電力電子裝置的功率密度起著關鍵作用。
目前，電力電子裝置的熱設計主要依賴工程實踐經驗。有些學者基于實踐經驗提出了一些經驗公式，但經驗公式通常誤差較大，且不具有普遍適用性。
在電力電子裝置設計之初，散熱設計應該和電路設計、結構設計同步規劃開展。散熱系統設計流程如圖1所示。值得注意的是，熱設計包括理論計算、熱仿真驗證、模擬實驗驗證等流程，耗時較長。因此，在熱設計完成之前，可以先利用傳統經驗公式對散熱進行概要設計，初步驗證設計方案的可行性，并指導結構設計和功率PCB布局。在熱設計的過程中，電路測試可以同步進行，以提升設計效率。
圖1 系統設計流程
電力電子裝置熱設計對高功率密度大功率電力電子裝置的可靠性起著重要作用。為了提高熱設計的準確性和設計效率，浙江大學電氣工程學院的研究人員綜合傳熱學與流體力學理論，提出了一種基于截面積二次方根為無量綱特征長度的綜合熱模型。同時，提出了一種針對典型強迫風冷散熱系統的體積最優的優化方法，該優化方法亦可推廣到質量最優、損耗最優等優化設計當中。
圖2 散熱系統測試平臺
研究人員以380V/50kvar高功率密度SVG為例，利用本方法設計的散熱系統，較傳統概要方法體積可縮小30%。另外，相較于傳統熱模型平均熱阻誤差，本研究提出的綜合熱模型準確性有較大的提升。
本文編自2021年第16期《電工技術學報》，論文標題為“高功率密度SiC靜止無功補償器強迫風冷散熱綜合建模及優化設計方法”，作者為林弘毅、伍梁 等。
