基于热仿真的模块散热结构设计及优化

以某一功率放大模块为研究对象，设计了1种常规散热结构和3种优化结构。基于热仿真技术，在相同的风机、初始条件和边界条件下，分别对4种散热结构进行数值仿真。仿真结果表明：优化模块结构可以降低模块内部的热阻和模块底面的热流密度，优化散热器结构可以提高散热器的对流传热系数。2种优化方式都可以降低热源温度，并且2种方式结合后散热效果最优。     

直接冷却IGBT功率模块散热性能研究

电力电子设备元器件的温度是影响电力电子设备性能和可靠性的关键因素之一。在IGBT功率模块散热方面,目前的研究热点之一是在模块的设计阶段应用直接冷却技术,将散热鳍片集成在功率模块的铜基板上。这种结构使IGBT模块在安装固定时不再需要通过导热界面材料来连接模块铜基板和支撑底板,因而使模块的总热阻大大降低。本文对自主研发的二合一直接冷却IGBT功率模块进行了仿真试验研究,并对比了传统间接冷却模块的散热性能,试验结果表明直接冷却模块的热阻最高降低了33%,而且温度场分布也更加均匀。仿真结果与试验结果一致,证明了仿真模型的准确性。     

电动飞机电机控制器风冷散热结构的计算与改进

根据电动飞机的飞行剖面,建立了电机控制器的系统损耗及IGBT模块的热阻网络模型,对电机控制器IGBT模块的温度进行计算。以轻量小型化为目标,对电机控制器的散热结构进行了改进。MATLAB/Simulink系统仿真试验和地面台架样机试验结果表明:改进的风冷散热器能够满足电动飞机电机控制器的散热需求,且重量降低5%。     

高密度DCS机柜散热仿真分析与试验研究

针对高密度DCS机柜散热研究较少且分析复杂的现状,提出了基于SolidWorks Simulation进行仿真分析的方法。通过瞬态散热仿真及试验研究,对比了不同模块配置、不同散热工况下的高密度机柜内部温度变化,配置出针对高密度机柜散热效果较好的方案,以满足温升要求及客户定制化需求。     

车用锂离子动力电池风冷散热系统研究进展

锂离子电池作为电动汽车动力电池首选,维持其工作在最佳温度范围需要应用散热系统。针对常用的风冷散热系统,阐述了不同类型的特点,综述了国内外在电池内部流道、进出风口结构、冷却空气流体参数等方面开展的仿真与实验研究,以及采用优化算法和优化策略,改善电池内部温度和温差的优化设计研究。为克服风冷散热系统冷却效率低及密封性不足的问题,基于风冷散热系统的混合冷却系统被研究者广泛提出。     

油冷电机定子冷却结构散热仿真研究

针对电机散热问题，新能源汽车所用油冷电机在定子内部建立冷却结构，引入油来直接冷却定子及绕组。而优化定子冷却结构可以提升电机散热性能来达到提高电机功率密度和效率的目的。定子内部和喷油环通入冷却油后，流动状态复杂多变，故采用计算流体动力学仿真方法，建立油冷电机三维CFD模型，对电机内部流场和温度场进行有限元计算和分析，得到内部流体流动特性和电机温度分布特性。并主要分析定子冷却结构的入油口结构和喷油环关键冷却参数对流场及温度场分布的影响，并加以优化。最终优化的方案相比于优化前的方案，可使电机温度降低5～10°C。试验结果进一步验证了冷却结构散热仿真的准确性，为油冷电机技术的应用和推广提供了有力支撑。     

基于workbench的锂电池系统结构对热特性的影响分析

动力电池系统的散热效果对其寿命与工作性能有较大影响,以电芯、模组及电池包系统为研究对象,进行有限元建模分析,分别对V1电池包系统、V2电池包系统的温度进行比较分析,通过对比两种不同结构设计电池包的系统内部温度分布、电芯温度分布、模块电芯温差、最高温度区域,发现在相同的电压与电容量的要求下,合理的电池包结构设计可以有效降低电池包的温度。计算仿真结果对动力锂电池系统的结构设计和实际生产具有一定的指导意义。     

特高压直流分压器内部温度场结构优化设计

直流分压器是直流输电系统中不可缺少的主设备。目前直流阻容式分压器因结构和工作原理的原因,导致内部出现较大的温度梯度,影响了分压器的误差性能,同时增加了空心绝缘子发生污秽闪络的概率。针对±1 100 kV直流分压器的散热问题,文中进行了内部温度场的结构优化设计,同时在顶部增加散热结构,降低其温度梯度。最后利用Ansys Fluent软件对该结构设计进行温度场和热流场的仿真分析,结果表明:在27℃的环境温度下,与传统结构的直流分压器相比,在额定一次电流为2 m A,热流量为2.2 k W的情况下,其内部温度有明显的降低,最大温差可达到20 K。同时增加的散热翅片显著提高了分压器内部气体的循环流动,提高了散热的效率,优化后的结构满足散热的需求。     

滤板在车辆电池组风冷散热中的应用

针对某电动车辆拟使用的动力锂电池组进行散热优化,在已经证明添加滤板可以对电池组系统散热效果和均衡性都有提升后,为了进一步优化散热效果,改善动力电池组使用风冷散热方式时散热效果差、平均温度高、局部最高温度高、局部温差较大的问题,针对某电动车辆拟用的动力锂电池组风冷散热系统通过三维建模后使用ANSYS、Icepak进行了热力学仿真。根据仿真结果的反馈,调整滤板不同区域的开孔率,使高温处开孔率升高,低温处开孔率降低,温度分布更均匀,且平均温度也更低。为风冷电池组散热系统优化设计提供了有价值的参考。     

基于等效电导率的压接型IGBT器件温度场仿真

压接型封装全控器件由于其具有无焊点、无引线、双面散热的特点,逐渐在大容量换流器中得到了广泛的应用,其可靠性以及寿命预测也引起了学术界和工业界的关注。本文提出了一种基于等效电导率的压接型绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)器件温度场有限元仿真方法,直接反映了压接型IGBT器件内部芯片发热功率随温度变化的特性,进一步提高了温度场仿真的准确性,为模块可靠性分析和寿命预测建立了仿真计算基础。此外,对某型号压接型IGBT器件进行MMC工况下的温度场仿真,得到了该工况下模块内部温度分布情况。     

通过面积扩张和散热硅通孔的3DIC热量的优化

随着集成度的增加,高密度的3D IC的发热问题变得越来越严重,温度过高的热斑不仅影响芯片的性能,甚至对芯片的可靠性带来严重的威胁。从两个方面来优化三维芯片的热量问题,通过模拟退火算法把电路模块划分到合适的层,使得热斑块在整体芯片的分布较为均;在x/y方向上对热斑块适当的面积扩张来降低热斑块的功耗密度,然后在z方向上插入散热硅通孔来转移芯片内部的热量。仿真结果表明,通过该优化后的芯片最高温度可以进一步减小,在电路ncpu第二层中优化前后最高温度降低了11.98°;热量分布更加均衡,层内最高温度与最低温度之间的差距进一步缩小最大可以缩减11.82,有效地控制了芯片的温度。     

有限元法分析隔声装置对特高压并联电抗器散热性能的影响

特高压并联电抗器噪声问题日益突出,加装隔声装置能有效降低特高压并联电抗器噪声;但隔声装置可能造成特高压并联电抗器散热不足,使内部绝缘系统性能劣化,影响特高压并联电抗器运行可靠性与经济性,因此需对加装隔声装置后的特高压并联电抗器散热性能进行分析。通过有限元方法建立特高压并联电抗器模型,模拟其产热与散热过程,研究加装隔声装置前后的特高压并联电抗器散热性能,分析了油箱内温度分布情况以及温升值。研究表明,安装该隔声装置会导致特高压并联电抗器内部温升值增大2~3 K,但不会影响其安全稳定运行;仿真结果与试验结果有很好的一致性。电抗器内部热量散出主要依赖绝缘油的循环流动;在电抗器散热性能良好的前提下,安装隔声装置不会对其温升有较大影响。     

高压直流换流阀模块散热及温度分布研究

通过分析高压直流换流阀模块的冷却水路结构,根据传热学理论,采用数值分析法,建立冷却水路的压力计算模型和紊流散热模型,提出简化模型的条件,对串联水路阀模块的热源和散热系统热量传输进行仿真计算,得出换流阀模块稳态运行时热应力特性及温度分布。在换流阀运行试验系统开展热运行试验,测量冷却水路进出口温度和晶闸管管壳温度分布,试验结果与仿真结论一致。     

±1100 kV/5455 A特高压直流换流阀饱和电抗器散热设计与研究

饱和电抗器是换流阀中保护晶闸管的关键部件,运行时饱和电抗器铁心产生的损耗导致铁心温度升高,严重情况下会导致饱和电抗器失效,从而威胁换流阀的安全运行。为降低饱和电抗器铁心温度,确保特高压直流工程可靠性,必须研究铁心散热性能并优化饱和电抗器结构。首先,研究了壳式饱和电抗器内部结构,分析了铁心散热的机理;然后,通过对饱和电抗器内外部结构的优化,为±1 100 kV/5 455 A特高压直流工程设计开发了一款螺旋结构的饱和电抗器,运行时外壳周围形成多重散热风道,优化了散热效果;最后,基于光纤测温原理,在饱和电抗器样机内部铁心表面预埋测温光纤,并在合成试验平台上对饱和电抗器进行长期连续额定负荷运行工况下的铁心测温试验。结果表明:螺旋式饱和电抗器相比于普通壳式饱和电抗器铁心温度大大降低,满足特高压直流工程对饱和电抗器运行可靠性的要求。     

小型一体化电机散热的数值仿真和优化

对一种小型一体化电机进行了散热风道和风扇的仿真及优化。通过在风扇上方增加隔板的方式,改进了不合理的散热风道。通过增加下盘、增加叶片数量和叶片长度、增大叶片前倾角,对风扇叶形进行了优化。优化后,一体化电机的CPU温度降低了31.9℃,电机壳体温度降低了41.6℃。     

IGBT模块材料选型的仿真研究

作为电力电子变换器的核心器件,IGBT功率模块的可靠性是目前学术界和工业界关注的重点。本文借助有限元分析软件,根据IGBT模块的实际结构,构建了IGBT模块的电-热-力仿真模型。针对目前IGBT模块键合线失效的难题,研究了不同键合线材料与表面金属化层材料的选型对模块温度云图及应力云图的影响。仿真结果表明键合线材料的选型与模块内部的温度分布具有较强的相关性,金属化层材料的选型与模块内部的应力分布具有较强的相关性。因此,通过合理选择模块表面金属化层与键合线材料类型能极大程度降低模块内部的温度和应力,进而降低键合线失效的风险,提高模块的可靠性。     

封装技术对功率半导体模块性能的影响

不同封装技术对功率半导体模块的电气性能、散热性能和可靠性有不同的影响。分析了模块寄生电感对绝缘栅双极型晶体管(IGBT)开关特性和开关损耗的影响,结合优化的门极开通和关断电阻,将模块的寄生电感从20 nH降低至10 nH可以使IGBT的开关损耗减小20%～30%。通过热阻的方法分析了IGBT模块散热系统中不同材料对IGBT散热的影响,其中导热硅脂和模块陶瓷衬底对模块的散热影响较大,从导热介质、衬底材料、芯片大小和间距及基板结构方面阐述了优化模块散热性能的方法。不同材料的热膨胀系数不匹配是导致模块老化失效的主要原因,阐述了绑定线连接、焊接层疲劳的机理和现象,介绍了提高模块封装可靠性和寿命的一些新材料和新工艺。     

基于MMC结温波动优化的预测控制策略及其可靠性分析

模块化多电平换流器(MMC)IGBT子模块的平均结温及其波动会显著影响其失效率,进而对系统的可靠性产生影响。在MMC热平衡算法的基础上,分析如何在降低MMC子模块结温分布差异和保持子模块的电容电压波动不变的前提下,只通过改变子模块的投切过程来降低结温波动的可能性。以接近结温波动的最小理论幅值ΔT_(min)、降低子模块间的结温波动差异为目标,结合预测得到的下一个控制周期中器件的结温,给出温度波动优化的控制策略。采用Coffin-Manson寿命模型和线性累计损伤理论,评估温度优化控制策略下MMC系统的寿命。最后,在MATLAB中搭建10电平仿真模型,仿真结果表明通过对MMC系统进行温度控制可以提高系统的可靠性。     

基于Icepak的充放电控制模块的散热分析及实验验证

基于ANSYS Icepak热仿真软件对充放电控制模块进行了建模和热仿真,并进行了温升实验验证。实验结果显示测温点与对应的仿真点温升偏差在5%以内,验证了仿真的有效性和可行性。在原方案的基础上对散热器结构参数进行了优化设计,最优方案的散热器最高温度比原方案降低了5.22℃,证明了该优化方法可有效提高产品的散热性能,使充放电控制模块的设计更加经济、合理。     

基于双层分形微通道的液冷板散热性能分析

针对锂离子电池的温升特性,建立了一种基于双层分形微通道的液冷板。采用Fluent软件对该模型的散热性能进行仿真分析,在2 C下放电,提高冷却液的流量可以明显降低液冷板的最高温度和温差;降低冷却液的温度可以大幅降低液冷板的最高温度,但温差趋于稳定。对液冷板结构优化,与原有的模型相比,最高温度下降了0.5℃,温差下降了1.7℃,进出口压力差降低了176 Pa。在相同的工况下对优化后的模型和单通道模型进行对比仿真分析,优化后模型最高温度27.9℃,温差3.8℃,进出口压力差下降了83.25%,在更低的冷却泵消耗下能很好地满足电池工作温度要求。设计了验证实验,结果表明实验与仿真结果误差维持在8%以内,液冷板散热效果仿真具有准确性,液冷板散热效果明显。