內燃機車(chē)空調電源的散熱結構優(yōu)化設計與熱分析

　　黃小娟，王曉麗，葉?娜（中國中車(chē)永濟電機有限公司，陜西?西安?710000）

　　摘?要：簡(jiǎn)介了內燃機車(chē)空調電源的總體結構，對模型中的熱源及影響散熱的主要因素進(jìn)行分析。通過(guò)對散熱器設計及發(fā)熱元器件布局進(jìn)行設計，最終確定空調變頻器最優(yōu)的總體模型結構設計，并利用典型的熱仿真分析軟件Icepak對其結構模型進(jìn)行熱仿真分析、驗證。

　　關(guān)鍵詞：熱源；散熱影響因素；結構設計；熱仿真分析

　　0 引言

　　隨著(zhù)電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，系統的高可靠性、設備的小型化需求成為發(fā)展趨勢。電子設備的功率密度不斷加大，集成度也不斷提高，可靠性將面臨嚴峻的挑戰。如果電子設備結構設計不合理，運行時(shí)可能導致溫度過(guò)高、失效率增加、最終使設備性能下降，甚至造成故障。因此，電子設備的熱設計是影響系統可靠性的一個(gè)重要組成部分。

　　本文以某內燃機車(chē)空調電源為例，提出基于熱分析的電源結構設計的方法。首先對散熱影響因素進(jìn)行重點(diǎn)分析，分析元器件的布局與安裝、散熱通道設計等對散熱效果有影響的問(wèn)題；然后對最優(yōu)的電源結構設計做熱仿真分析，從而驗證了該結構設計的可靠性。

　　1 內燃機車(chē)空調電源的總體結構

　　機車(chē)司機室電氣柜內采用DC 74 V供電，空調機組均為AC 220 V交流電機，為滿(mǎn)足空調機組的用電需要，內燃機車(chē)空調電源將DC 74 V變換為AC 220 V供空調機組使用。本設計采用對直流輸入電壓先進(jìn)行Boost升壓再逆變的控制方案。先將DC 74 V升壓為DC 500V，再通過(guò)三相橋逆變電路將直流電逆變?yōu)槿嘟涣麟夾C 220 V，為空調機組提供電源。

　　由圖1可知，空調電源系統的主電路包括直流斬波升壓和逆變兩個(gè)部分：斬波升壓電路所用的部件由升壓電感、斬波用IGBT、升壓電容、電壓傳感器構成；三相橋式逆變電路中主開(kāi)關(guān)器件采用高性能IGBT、電容和電感組成的LC濾波電路。

　　該空調電源箱體中，所有的電子元器件都要消耗電能，其中一部分電能轉化為熱能。如果對系統中所有發(fā)熱的元器件都進(jìn)行熱分析，既復雜又困難、也沒(méi)有必要。因此只需考慮該系統中的主要發(fā)熱元器件（如：IGBT模塊、電感、電容等），并借助ANSYS熱分析對系統中的主要發(fā)熱元器件進(jìn)行分析，簡(jiǎn)化模型中將不考慮其他的發(fā)熱元器件 ^[3] 。通過(guò)周密的計算和參數的選擇，電源箱體中主要的發(fā)熱元器件在滿(mǎn)負載運行時(shí)的功率損耗如表1所示，該空調電源的工作條件如表2所示。

　　本設計的主要發(fā)熱元器件有八個(gè),其中一對電感、電容是用在Boost升壓電路中；一對電感、電容是用在DC—AC變換器中組成的LC濾波電路；另外還有一個(gè)斬波用的IGBT模塊和逆變系統中組成三相橋式逆變電路所用的三個(gè)IGBT模塊。

　　為了配合內燃機車(chē)上空調機組的用電所需，則該空調電源的裝配方式以及外形尺寸已然確定。因此，我們將在現有的空間尺寸內對各個(gè)元器件進(jìn)行合理布局，并用ANSYS軟件進(jìn)行熱分析，以得出最優(yōu)的結構設計，確保該電源能夠正常工作。

　　2 散熱的影響因素分析及設計應用

　　由于箱體的散熱方式采用強制風(fēng)冷散熱，且散熱器設計采用鋁材質(zhì)。則影響散熱的主要因素有：散熱器設計、發(fā)熱元器件的布局、通風(fēng)道設計等 ^[2] 。下面將對這些影響因素進(jìn)行逐一分析，從而得出最優(yōu)的結構布局。

　　2.1 散熱器的設計及影響分析

　　在空調電源的基本結構體積、各元器件的功耗確定的前提下，在結構設計中，結合箱體、電容、電感、風(fēng)扇等其他元器件的外形尺寸、體積大小、布線(xiàn)等因素的綜合考慮后，最終確定了散熱器的最大允許空間尺寸為：345 mm × 300 mm × 100 mm (長(cháng) × 寬 × 高)，材料選定為鋁材（比銅輕且價(jià)格便宜）。

　　散熱器的熱阻除了與材料有關(guān)，也與形狀、尺寸及安裝方式等因素有關(guān)。散熱器設計中所涉及的幾何參數主要有肋片厚度、肋片間距、肋片高度、肋片數量、基座的尺寸等 ^[4] 。本文分別對以上因素對散熱效果的影響做了仿真分析。散熱器的示意圖如圖2所示，其基本尺寸數值見(jiàn)表3。

　　2.1.1 肋片參數的影響分析

　　假設該散熱器水平面上放置有3個(gè)熱源，材質(zhì)為銅，三個(gè)熱源之間間距均為39 mm，功耗均為500 W，風(fēng)量設定為205 cfm，環(huán)境溫度20 ℃。由于該電源箱體中受到整體結構的限制，所以肋片的總體尺寸、基座和肋片高的尺寸不會(huì )有大的變化，這些尺寸是一定的。

　　尺寸一定的條件下，肋片的厚度、數量、間距3個(gè)參數之間相互影響。其中一個(gè)參數不變時(shí)，本文對其他兩個(gè)參數的變化趨勢進(jìn)行分析和研究。在強制風(fēng)冷的散熱方式下分別用ANSYS做熱分析仿真，則分析的結果如下表4所示。

　　從表4的分析結果可以得出以下結論:

　　1) 在固定的散熱器空間下，當肋片數量一定時(shí)，肋片的厚度不斷增加，肋片間距減小，散熱溫度隨著(zhù)先降低后升高（總體變化趨勢呈現升高趨勢），這說(shuō)明在一定的尺寸和肋片數下，肋片厚度應盡量薄，且存在一個(gè)最佳值 ^[5] 。如圖3所示為散熱器溫度隨肋片厚度變化曲線(xiàn)圖。

　　2）在固定的散熱器空間下，當肋片的厚度一定時(shí)，隨著(zhù)肋片間距的增加，肋片數量不斷減少，散熱器的溫度也隨著(zhù)降低，但是下降到一定程度時(shí)，溫度反而升高。這是因為隨著(zhù)間距的增加，肋片數量不斷減少，從而引起散熱面積的下降，所以溫度升高，它們之間起著(zhù)相互制約的作用 ^[1] 。如圖4所示，為散熱器溫度隨肋片間距變化曲線(xiàn)圖。

　　3）由圖4可知，隨著(zhù)肋片厚度的增加，無(wú)論肋片間距的變化，散熱器的整體溫度都在升高。由于考慮到加工能力的限制，因此不考慮肋片厚度為1 mm的情況。

　　從上述分析結果可知，該電源最優(yōu)的散熱器設計可采用：肋片厚度為2 mm，肋片間距2 mm，肋片數量73的肋片結構。圖5所示為肋片厚度2 mm的散熱分析溫度圖。

　　2.2 IGBT在散熱器表面的布局影響分析

　　發(fā)熱元器件的合理安排和布局是散熱設計的重要內容，在進(jìn)行該項工作前，應根據電子設備中每個(gè)元器件發(fā)熱情況，合理的安排各元器件位置，以防熱量的積蓄。

　　根據現有的研究成果，在電子設備中，如果兩個(gè)元器件在一塊安裝板上水平方向放置，則元器件之間應在空間允許的情況下適當增大安裝間距，元器件的溫度才會(huì )隨之降低 ^[1] 。

　　3.2.1 熱源的分布影響分析

　　在散熱器基板尺寸（340 mm × 295 mm × 10mm）、材料（鋁材）、環(huán)境溫度（20 ℃）和總熱量不變的情況下，考慮到箱體整體布局及布線(xiàn)等因素的影響，熱源的布局設計有下面兩種情況，如圖6所示。

　　注：為分析熱源布局的最優(yōu)設計，假定元器件V 1 為500 W；V 2 均為350 W，環(huán)境和風(fēng)量一定。

　　本文對上述兩種熱源布局分別做了熱仿真分析，布局方式1溫度為71.16 ℃，布局方式2溫度為61.14 ℃。具體散熱溫度分布圖如下圖7所示。

　　從分析結果可以看出，布局方式2的散熱效果最好，可見(jiàn)功耗大的元器件應距入風(fēng)口較近，熱源最好是分散布局，有利于各個(gè)位置的溫度均衡，減小相互之間的散熱影響。

　　3 空調電源總體結構設計模型

　　在原有內燃機車(chē)KACINV6型EMD空調電源的機械結構的基礎上，根據電源裝置的安放空間，結合電磁干擾、散熱和后期的安裝工藝等因素，最終，空調電源的總體最優(yōu)結構模型如圖8所示。

　　在列車(chē)運行過(guò)程中，YGN2QI01型空調電源需裝在司機室，且在持續工作時(shí)將會(huì )產(chǎn)生很大熱量，僅靠自然通風(fēng)是不能滿(mǎn)足散熱的需求，所以在機械結構設計中，我們采用強迫風(fēng)冷的通風(fēng)散熱方式，從兩個(gè)側面進(jìn)行排風(fēng)，吸入的空氣順著(zhù)風(fēng)道掃過(guò)Boost電抗器、Boost輸出電容、三相逆變、LC濾波電抗器和LC濾波電容，然后從另一側排出，從而保證了該電源裝置能夠長(cháng)時(shí)間工作。主接觸器、繼電器、EMC等低壓電器和控制板置于箱體的前半部分。風(fēng)扇由三相逆變后提供的三相220 V/ （30 Hz、60 Hz、45 Hz）電源。

　　三相逆變IGBT與Boost輸出電容間采用低感復合母排連接，使IGBT高速開(kāi)關(guān)造成的過(guò)電壓達到最小，IGBT安全工作區擴大，使用壽命延長(cháng)。

　　4 結構設計的熱仿真分析

　　本設計采用ANSYS Workbench有限元軟件進(jìn)行分析，在不影響熱特性和計算精度的前提下，在DesignModeler下對其進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，并導入Icepak進(jìn)行參數設置及網(wǎng)格劃分，最后進(jìn)行熱特性分析。圖9所示為網(wǎng)格圖。

　　根據設定的工況對模型進(jìn)行計算，仿真結果如圖10所示。由于IGBT模塊是箱體中最主要的熱源，斬波模塊IGBT芯片功耗最大，為45 W。由圖10可看出，該模型的最高溫度也反映在斬波用IGBT芯片上，它的溫度為73.961 ℃。該三維模型的最高溫度在合理的區間內，綜上所述，所設計的機車(chē)空調電源布局及熱特性均滿(mǎn)足上述工況。

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　　本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第01期第64頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。