改进型热设计法在变流器产品中的应用

・应用・　电器与能效管理技术（２０１５Ｎｏ．１５）　改进型热设计法在变流器产品中的应用　杨飞，　张文波，　王掂，　孙远　（国电南瑞科技股份有限公司，江苏南京２１　１　１　０６）　

摘要：针对风电变流器产品，概述了增强型热设计法以及产品研发流程，并提出　了改进型热设计法，同时进行了兆瓦级变流器的热设计。最后对数值模拟和试验测量　的结果进行了比较，分析了新方法在后续产品中的应用前景。　关键词：变流器；热计算；仿真；样机；热测试　中图分类号：ＴＭ　６４文献标志码：Ｂ文章编号：２０９５—８１８８（２０１５）１５－００６７－０５　

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｉｍｐｒｏｖｅｄ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ　ｉｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ　

杨　飞（１９７５一），　男，工程师，主要从　事热设计、环境适　应性、结构设计的　研究。　

ＹＡＮＧ　Ｆｅ　．　ＺＨＡＮＧ　Ｗｅｎｂｏ，　ＷＡＮＧ　Ｚｋ，　Ｓ　Ｙｕａｎ　（ＮＡＲＩ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１　１　１０６，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｅｎｈａｎｃｅｄ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ　ｗｅｒｅ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ，ａｎｄ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｆｏｒ　ｍａｇａｗａｔｔ　ｃｏｎｖｅ￣ｅｒ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｈｓ　ｏｆ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｗｅｒｅ　ｃｏｍｐａｒｅｄ．Ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｐｅｃｔ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｕｓｉｎｇ　ｆｏｒ　ｃｏｎｖｅ￣ｅｒ　ｗａｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ｈｅａｔ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ；ｔｈｅｒｍａｌ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　

０　引　言　１　增强型热设计法　产品热设计的最终目标不仅仅是预测器件的　温度，还要减少产品设计中的各种可靠性风　险　］。对于兆瓦级变流器，特别是安装ＩＧＢＴ功　率模块的功率柜，往往会产生不可预见的器件　过热风险和可靠性问题，甚至会影响产品研发进　度。因此，在产品开发的早期阶段，热设计工程师　应该通过对产品温度和气场分布的预测，尽早地　发现潜在的风险和制定切实可行的解决方案。工　程师可以采用的工具有计算法、流体网络建模法　（Ｆｌｕｉｄ　Ｎｅｔｗｏｒｋ　Ｍｏｄｅｌｉｎｇ，ＦＮＭ）、计算流体模拟　（Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ　Ｆｌｕｉｄ　Ｄｙｎａｍｉｃｓ，ＣＦＤ）和热测试法。　本文首先概述了增强型热设计法以及产品研　发流程。然后针对变流器特性，提出了改进型热　设计法，同时使用该方法进行了兆瓦级变流器的　热设计。通过数值模拟和试验测量，对新方法进　行了分析。　

Ｂｉｂｅｒ　Ｃ等　在产品设计过程中首先采用了　热设计方法，后来演变为增强型热设计法　。　根据这一方法，产品的研发流程包括３个不同　的阶段：概念阶段、设计阶段和样品阶段，如图１　所示。　

概念　设计　硬件　传递相关性　ｌ　ｌ　ＦＮＭ　厂　；　ｌ　测试　

时间　图１增强型热设计流程　１．１概念阶段　概念阶段是产品研发流程的初始阶段。在这　

张文波（１９８４一），男，工程师，主要从事风电发电系统的电气设计。　王酷（１９８７一），男，工程师，主要从事测试技术的研究。　

一６７—　电器与能效管理技术（２０１５Ｎｏ．１５）　・应用・　一阶段，来自不同学科的工程师可以在一起研讨，　集思广益，来确定产品设计方向，并可以迅速调整　产品设计思路。热设计工程师的职责主要包括：　（１）完成可以容纳产品总热耗的硬件设计。　（２）完成热相关器件的设计和选型（风扇、　散热片等）。　（３）确定产品的热风险区域，并提出解决方　案来减少这些风险。　这个阶段热设计的特点：设计数据缺乏（只　有有限的几何和流体数据），但是需要快速确定　初步设计方案。需要热设计工程师具有专业的流　体力学基础和足够的设计经验，来建立系统的二　维热流动模型，能利用导热系数、热阻和系统风阻　等来进行热计算。计算法和ＦＮＭ是这个阶段常　用的热设计工具。但ＦＮＭ技术不能用来建立三　维流动模型。三维模型计算需要采用其他技术来　解决　。　１．２设计阶段　一旦初始设计方案确认，详细设计工作便开　始。一些器件的试验测量数据和从供应商那里得　到的准确信息开始应用到热设计模型中去。热设　计工程师必须与其他工程师一起确定产品的设计　细节，拿到更精确的热分析结果，并确定产品中热　风险区域。热分析开始定位于产品的细节设计。　经过这一阶段，热设计工程师必须能推动产品进　入样品生产阶段。　在电子行业，常用的工具是ＣＦＤ和有限元分　析软件（Ｆｉｎｉｔｅ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ａｎａｌｙｓｉｓ，ＦＥＡ），如Ｆｌｕｅｎｔ　ｊ　和Ｆｌｏｔｈｅｒｍ　等，都具有温度场和流场计算分析的　能力。热设计工程师在建模过程中应该有能力处　理各种细节，包括边界条件的输入、功率模组的建　模、网格划分等　ｊ，并对仿真结果深入分析，为实　际产品设计提供建议。　１．３样品阶段　一旦样品生产结束，开始进入样品阶段。热设　计工程师在这一阶段的目标是测量关键元器件温　度和热风险因素评估，来验证前期设计。此外，热　测试可以对早先预计的样品性能进行校准或调整。　常用的测温工具是热电偶。其他工具，如红　外成像技术和光辐射测量，也在很多情况下使用。　关于其详细使用方法可见文献［９］。常用的空气　流量测量工具是热线风速仪，可以准确捕捉气体　一６８一　的流动速度并可以重复测量，但需要相对洁净的　测试环境。在主风道测试中，叶轮风速计是另一　个易于操作的工具，但不适合微风环境。　２　产品研发流程　在公司层面，为了设计出符合客户需要的产　品，一个包含关键步骤和阶段的系统级研发流程　应达到以下目标　引：　（１）在产品设计和开发过程中，能对成本、质　量、交货期持续优化，满足客户或超越客户的　期望。　（２）产品的设计应该满足所有客户的技术规　格要求，任何设计偏差应得到客户的确认和书面　反馈。　（３）产品的设计应满足本公司内部的生产能　力、质量和可靠性技术规范要求。　参考一些国际公司的研发流程，结合变流器　研发的实际经验，本文提出了变流器产品的研发　流程主要有６个主要发展阶段：商务报价（ＲＦＱ）、　样品阶段、产品工程验证阶段（ＥＶＴ）、产品设计验　证阶段（ＤＶＴ）、小批量和批量生产阶段。在变流　器的开发阶段，研发团队可以根据需要依照研发　流程进行设计，或者跳过其中的某些阶段。　在ＲＦＱ和样品阶段，研发团队需要提供产品　技术规格书和详细的报价单给客户，并且生产出　样机。因此，这两个阶段也是热设计工程师提供　最重要输入的阶段。在产品研发的后期阶段，热　设计师主要进行热测试和仿真模型的优化。　

３　变流器的改进型热设计　在概念阶段，引入了简化模型的数值模拟，验　证了计算法和ＦＮＭ的结果，使ＲＦＱ阶段的技术　规格书和报价单更详尽准确。在详细设计阶段，　则聚焦于细化ＣＦＤ的模拟和热测试。　３．１概念设计阶段　对应于概念设计阶段是产品研发流程中的　ＲＦＱ阶段。在ＲＦＱ阶段，研发团队，包括电子、机　械和热工程师等，需要提供产品的报价单和技术　规格书。　变流器产品一般需要达到２０年的生命周期，　产品的热性能和可靠性尤为重要。作为关键组成　部分的功率柜，在初始阶段更是热设计工作的　・应用・　电器与能效管理技术（２０１５Ｎｏ．１５）　表２　３０℃环温下芯片结温对比　℃　

ＦＮＭ和ＣＦＤ模拟的数值。因为风量是影响功率　模块芯片结温的主要因素，随着风量的增加，芯片　结温是下降的。同样，表２也表明了热设计的冗　余特性。　在温度计算仿真值和试验测量值之间有　一些差异，都达到了设计目标要求：所有功率　模块的实测温度小于功率模块的最大结温　１０５　ｏＣ。　

５　结　语　本文提出了一种系统级热设计方法，并应　用于兆瓦级变流器的功率柜设计。该改进型热　设计方法同变流器的产品研发流程紧密结合，　在ＲＦＱ阶段提供了有效的技术支持；在样机阶　段，通过各种热设计工具降低了系统的热设计　风险。该方法体现了下列关键优势：　（１）在ＲＦＱ阶段，通过综合应用ＦＮＭ方法　和简化ＣＦＤ模型，降低了商务报价和产品设计　风险。　（２）热设计方法和产品研发流程实现了有效　结合。　（３）应用各种热设计工具减少了系统热设计　风险，提高了产品的长期可靠性。　通过在不同变流器产品的实际应用和经验的　积累，改进型热设计方法将在未来变流器设计中　发挥越来越重要的作用。　

【参考文献】　［１］　ＢＥＬＡＤＹ　Ｃ，ＭＩＮＩＣＨＩＥＬＬＯ　Ａ．Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｆｏｒ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｃｏｏｌ　Ｍａｇ，　２００３，９（２）：１６—２１．　［２］　ＢＩＢＥＲ　Ｃ，ＢＥＬＡＤＹ　Ｃ．Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｄｒｏｐ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｈｅａｔ　ｓｉｎｋｓ：Ｗｈａｔ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｂｅｓｔ　ｍｅｔｈｏｄ？［Ｃ］∥　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｐａｃｉｆｉｃ　Ｒｉｍ／ＡＳＭＥ　ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｐａｃｋａｇｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（ＩＮＴＥＲｐａｃｋ　９７），Ｋｏｈａｌａ　Ｃｏａｓｔ，ＨＩ，ＵＳＡ，１５—１９　Ｊｕｎ　１９９７．　［３］ＢＥＬＡＤＹ　Ｃ，ＫＥＬＫＡＲ　Ｋ　Ｍ，ＰＡＴＡＮＫＡＲ　Ｓ　Ｖ．　Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙ　ｉｎ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　ｐａｃｋａｇｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｆｌｏｗ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ（ＦＮＭ）［Ｊ］．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｃｏｏｌ　Ｍａｇ，１９９９，５（１）：３６－４０．　［４］　ＥＬＬＩＳＯＮ　Ｇ．Ｔｈｅｒｍａｌ　ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｓ　ｆｏｒ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ［Ｍ］．Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ：Ｖａｎ　Ｎｏｓｔｒａｎｄ　Ｒｅｉｎｈｏｌｄ　Ｃｏｍｐａｎｙ，１９８９．　［５］Ｆｌｕｅｎｔ　ｏｒｐｏｒａｔｅ　ｗｅｂｓｉｔｅ［Ｒ／ＯＬ］．１ｌｔｔｐ：／ｗｗｗ．ｆｌｕｅｎｔ．ｅｏｍ．　［６］Ｆｌｏｔｈｅｒｍ　ｃｏｒｐｏｒａｔｅ　ｗｅｂｓｉｔｅ［Ｒ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗ．ｍｅｎｔｏｒ．　ｃｏｍ．　［７］ＨＥ　Ｙ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｆｌｏｔｈｅｒｍ　ｉｎ　ｔｈｅｒｍａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ［Ｊ］．Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｑｕａｌｉｔｙ，２００８　（１）：３９－４０．　［８］ＯＤＡ　Ｊ，ＳＡＫＡＭＯＴＯ　Ｊ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ＦＥＭ　ｆｏｒ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｌａｍｉｎａｔｅｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｎ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｐａｃｋａｇｉｎｇ　［Ｊ］．Ｆｉｎｉｔｅ　Ｅｌｅｍ　Ａｎａｌ　Ｄｅｓ　１９９８，３０（１／２）：１４７．１６２．　［９］ＭＯＦＦＡＴ　Ｒ　Ｊ，ＯＲＴＥＧＡ　Ａ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｉｎ　ａｉｒ　ｃｏｏｌｉｎｇ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　７ｔｈ　ｉｎｔｅｒｓｏｃｉｅｔｙ　ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎｔｈｅｒｍａｌ　ａｎｄｔｈｅｒｍｏｍｅｃｈａｎｉｅａｌ　ｐｈｅｎｏｍｅｎａ　ｉｎ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｓｙｓｔｅｍｓ（ＩＴＨＥＲＭ＂００），Ｌａｓ　Ｖｅｇａｓ，ＮＶ，ＵＳＡ，２ｏｏ０（５）：２３－２６．　［１０］Ｅｎｌｅｒｓｏｎ　ｃｏｒｐｏｒａｔｅ　ｗｅｂｓｉｔｅ［Ｒ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅｌｌｌＣｌ＇ｆｌｏｎ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｐｏｗｅｒ．ｃｏｍ．ａｎ．　［１１］ＹＥ　Ｈ，ＬＩＮ　Ｍ，ＢＡＳＡＲＡＮ　Ｃ．Ｆａｉｌｕｒｅ　ｍｏｄｅｓ　ａｎｄ　ＦＥＭ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｐｏｗｅｒ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｐａｃｋａｇｉｎｇ［Ｊ］．Ｆｉｎｉｔ　Ｅｌｅｍ　Ａｎａｌ　Ｄｅｓ，２００２，３８（７）：６０１－６１２．　［１２］ＺＨＵＡＮＧ　Ｘ，ＷＯＮＧ　Ｅ　Ｈ，ＬＥＥ　Ｃ，ｅｔ　ａ１．Ｔｈｅｒｍｏ．　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｉｎ　ａ　ｍｕｌｔｉｃｈｉｐ　ｂｕｉｌｄ　ｕｐ　ｓｕｂｓｔｒａｔｅ　ｂａｓｅｄ　ｐａｃｋａｇｅ　ｄｅｓｉｇｎ［Ｊ］．Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，２００４，４４（４）：６１１－６１９．　收稿日期：２０１４—１２—１０