高压功率放大器水冷散热结构设计及仿真
发布时间：2021-07-29 19:10
随着振动台技术的发展,与之配套的功率放大器输出功率越来越高。针对快速发展的高压功率放大器,如何提高单位体积的输出功率并保证高压功率放大器能够安全可靠工作是目前高压功率放大器迫切需要解决的问题。在此设计了一种新型的散热结构,大大提高了高压功率放大器的散热效率。采用FLUENT有限元分析软件对水冷散热器的温度场及流场进行了仿真分析,并对水冷散热结构以及仿真结果进行了试验验证,结果表明,该散热结构大大提高了功率放大器单位体积的输出功率,而且采用FLUENT有限元分析的方法可以为设计以及改进散热器结构提供理论依据。
【文章来源】：电力电子技术. 2020,54(06)北大核心CSCD
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
图３散热模型网格划分??Ｆｉｇ．?３?Ｍｅｓｈ?ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｈｅａｔ?ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ?ｍｏｄｅｌ??（ａ）网格丨??
冷散热器相比其结构更紧凑，散热效率更??高，每个功率模块箱使用的ＩＧＢＴ模块增加到４个，??其输出电压达到３２０?Ｖ，输出电流达到２５０?Ａ。??（ａ）风散热结构?（ｂ?＞水冷散热结构??图１高压功率放大器散热结构??Ｆｉｇ．?１?Ｈｅａｔ?ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ｈｉｇｈ?ｖｏｌｔａｇｅ?ｐｏｗｅｒ?ａｍｐｌｉｆｉｅｒ??２．２水冷散热器结构设计??高压功率放大器每个功率模块箱包含４个??ＩＧＢＴ模块，所设计的水冷散热器将对这４个模块??同时散热，图２为髙压功率放大器ＩＧＢＴ模块水冷??散热模型示意图。散热器为对称结构，４个ＩＧＢＴ??模块对称分布在散热器左右两侧。为提高散热器??的散热效率，其结构设计过程中重点考虑的问题??包括以下几项：①材料的选择：散热器通常采用导??热系数较高的铝或铜，为减轻功率放大器的重量、??节约成本，采用铝作为散热器的材料；②散热器表??面处理：为了提高散热器的热辐射性能，对其表面??进行黑色氧化处理；③连接表面处理：在散热器和??ＩＧＢＴ模块的连接表面涂抹导热脂，可以很好地填??充两者之间的间隙，使它们接触良好，从而提高导??热性能；④冷却水进、出口?：为便于将散热器安装??在功率模块箱内，其冷却水进、出口位于散热器同??侧；⑤尺寸设计：综合考虑功率模块箱的空间结构??以及ＩＧＢＴ模块结构，散热器的总体尺寸设计为??２４５?ｍｍｘｌ２４ｍｍｘ２０ｍｍ，水流通道横截面尺寸为??Ｄ＝１０?ｍｍ?〇??散热；器?水％通道??图２散热器结构示意图??Ｆｉｇ．?２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｒａｄｉａｔｏｒ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ??２
箱仅能使用２个ＩＧＢＴ模块，??其输出电压为３２０?Ｖ，输出电流为５５?Ａ。图ｌｂ为??所设计高压功率放大器水冷散热结构，采用水冷??散热器对ＩＧＢＴ模块进行散热，ＩＧＢＴ模块安装在??散热器表面，散热器内部加工有水流通道，循环的??冷却水在其中流动，从而将ＩＧＢＴ产生的热量带??走，与风冷散热器相比其结构更紧凑，散热效率更??高，每个功率模块箱使用的ＩＧＢＴ模块增加到４个，??其输出电压达到３２０?Ｖ，输出电流达到２５０?Ａ。??（ａ）风散热结构?（ｂ?＞水冷散热结构??图１高压功率放大器散热结构??Ｆｉｇ．?１?Ｈｅａｔ?ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ｈｉｇｈ?ｖｏｌｔａｇｅ?ｐｏｗｅｒ?ａｍｐｌｉｆｉｅｒ??２．２水冷散热器结构设计??高压功率放大器每个功率模块箱包含４个??ＩＧＢＴ模块，所设计的水冷散热器将对这４个模块??同时散热，图２为髙压功率放大器ＩＧＢＴ模块水冷??散热模型示意图。散热器为对称结构，４个ＩＧＢＴ??模块对称分布在散热器左右两侧。为提高散热器??的散热效率，其结构设计过程中重点考虑的问题??包括以下几项：①材料的选择：散热器通常采用导??热系数较高的铝或铜，为减轻功率放大器的重量、??节约成本，采用铝作为散热器的材料；②散热器表??面处理：为了提高散热器的热辐射性能，对其表面??进行黑色氧化处理；③连接表面处理：在散热器和??ＩＧＢＴ模块的连接表面涂抹导热脂，可以很好地填??充两者之间的间隙，使它们接触良好，从而提高导??热性能；④冷却水进、出口?：为便于将散热器安装??在功率模块箱内，其冷却水进、出口位于散热器同??侧；⑤尺寸设计：综合考虑功率模块箱
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于ANSYS的IGBT模块散热系统的模拟[J]. 吴建峰,陈晓琴. 自动化应用. 2015(07)
[2]IGBT水冷散热器实验与仿真[J]. 丁杰,张平. 华北电力大学学报(自然科学版). 2015(01)
[3]高压大功率串级调速系统中斩波IGBT水冷散热系统的设计[J]. 肖帅,王钦若,张卓,彭义. 变频器世界. 2013(04)
[4]基于Ansys软件的IGBT模块散热分析[J]. 刘骥,黄磊. 电力电子技术. 2013(01)
[5]新型高压大功率开关功率放大器的研制[J]. 张红彩,牛晓峰,邹文,李婧,王一东,张巧寿. 航天器环境工程. 2010(05)
[6]变频器中的IGBT模块损耗计算及散热系统设计[J]. 胡建辉,李锦庚,邹继斌,谭久彬. 电工技术学报. 2009(03)
[7]振动试验系统现状与发展[J]. 张巧寿. 机电新产品导报. 2001(Z5)
本文编号：3309889
【文章来源】：电力电子技术. 2020,54(06)北大核心CSCD
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
图３散热模型网格划分??Ｆｉｇ．?３?Ｍｅｓｈ?ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｈｅａｔ?ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ?ｍｏｄｅｌ??（ａ）网格丨??
冷散热器相比其结构更紧凑，散热效率更??高，每个功率模块箱使用的ＩＧＢＴ模块增加到４个，??其输出电压达到３２０?Ｖ，输出电流达到２５０?Ａ。??（ａ）风散热结构?（ｂ?＞水冷散热结构??图１高压功率放大器散热结构??Ｆｉｇ．?１?Ｈｅａｔ?ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ｈｉｇｈ?ｖｏｌｔａｇｅ?ｐｏｗｅｒ?ａｍｐｌｉｆｉｅｒ??２．２水冷散热器结构设计??高压功率放大器每个功率模块箱包含４个??ＩＧＢＴ模块，所设计的水冷散热器将对这４个模块??同时散热，图２为髙压功率放大器ＩＧＢＴ模块水冷??散热模型示意图。散热器为对称结构，４个ＩＧＢＴ??模块对称分布在散热器左右两侧。为提高散热器??的散热效率，其结构设计过程中重点考虑的问题??包括以下几项：①材料的选择：散热器通常采用导??热系数较高的铝或铜，为减轻功率放大器的重量、??节约成本，采用铝作为散热器的材料；②散热器表??面处理：为了提高散热器的热辐射性能，对其表面??进行黑色氧化处理；③连接表面处理：在散热器和??ＩＧＢＴ模块的连接表面涂抹导热脂，可以很好地填??充两者之间的间隙，使它们接触良好，从而提高导??热性能；④冷却水进、出口?：为便于将散热器安装??在功率模块箱内，其冷却水进、出口位于散热器同??侧；⑤尺寸设计：综合考虑功率模块箱的空间结构??以及ＩＧＢＴ模块结构，散热器的总体尺寸设计为??２４５?ｍｍｘｌ２４ｍｍｘ２０ｍｍ，水流通道横截面尺寸为??Ｄ＝１０?ｍｍ?〇??散热；器?水％通道??图２散热器结构示意图??Ｆｉｇ．?２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｒａｄｉａｔｏｒ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ??２
箱仅能使用２个ＩＧＢＴ模块，??其输出电压为３２０?Ｖ，输出电流为５５?Ａ。图ｌｂ为??所设计高压功率放大器水冷散热结构，采用水冷??散热器对ＩＧＢＴ模块进行散热，ＩＧＢＴ模块安装在??散热器表面，散热器内部加工有水流通道，循环的??冷却水在其中流动，从而将ＩＧＢＴ产生的热量带??走，与风冷散热器相比其结构更紧凑，散热效率更??高，每个功率模块箱使用的ＩＧＢＴ模块增加到４个，??其输出电压达到３２０?Ｖ，输出电流达到２５０?Ａ。??（ａ）风散热结构?（ｂ?＞水冷散热结构??图１高压功率放大器散热结构??Ｆｉｇ．?１?Ｈｅａｔ?ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ｈｉｇｈ?ｖｏｌｔａｇｅ?ｐｏｗｅｒ?ａｍｐｌｉｆｉｅｒ??２．２水冷散热器结构设计??高压功率放大器每个功率模块箱包含４个??ＩＧＢＴ模块，所设计的水冷散热器将对这４个模块??同时散热，图２为髙压功率放大器ＩＧＢＴ模块水冷??散热模型示意图。散热器为对称结构，４个ＩＧＢＴ??模块对称分布在散热器左右两侧。为提高散热器??的散热效率，其结构设计过程中重点考虑的问题??包括以下几项：①材料的选择：散热器通常采用导??热系数较高的铝或铜，为减轻功率放大器的重量、??节约成本，采用铝作为散热器的材料；②散热器表??面处理：为了提高散热器的热辐射性能，对其表面??进行黑色氧化处理；③连接表面处理：在散热器和??ＩＧＢＴ模块的连接表面涂抹导热脂，可以很好地填??充两者之间的间隙，使它们接触良好，从而提高导??热性能；④冷却水进、出口?：为便于将散热器安装??在功率模块箱内，其冷却水进、出口位于散热器同??侧；⑤尺寸设计：综合考虑功率模块箱
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于ANSYS的IGBT模块散热系统的模拟[J]. 吴建峰,陈晓琴. 自动化应用. 2015(07)
[2]IGBT水冷散热器实验与仿真[J]. 丁杰,张平. 华北电力大学学报(自然科学版). 2015(01)
[3]高压大功率串级调速系统中斩波IGBT水冷散热系统的设计[J]. 肖帅,王钦若,张卓,彭义. 变频器世界. 2013(04)
[4]基于Ansys软件的IGBT模块散热分析[J]. 刘骥,黄磊. 电力电子技术. 2013(01)
[5]新型高压大功率开关功率放大器的研制[J]. 张红彩,牛晓峰,邹文,李婧,王一东,张巧寿. 航天器环境工程. 2010(05)
[6]变频器中的IGBT模块损耗计算及散热系统设计[J]. 胡建辉,李锦庚,邹继斌,谭久彬. 电工技术学报. 2009(03)
[7]振动试验系统现状与发展[J]. 张巧寿. 机电新产品导报. 2001(Z5)
本文编号：3309889
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