IGBT元件熱管冷卻傳熱性能的實驗與數(shù)值研究.pdf

1、IGBT元件廣泛應(yīng)用于變頻器、逆變器、電力傳動等各個方面，工作時處在頻繁的開關(guān)狀態(tài)，功率損耗大，其散熱條件的好壞，關(guān)系到其運行的穩(wěn)定性、可靠性及使用壽命。IGBT元件的冷卻方式有多種，熱管冷卻是大功率IGBT元件有效的冷卻方式之一。目前多數(shù)研究者僅注重研究熱管本身，沒有把與熱管相連的換熱器其他部位（如翅片、冷板）作為一個整體來研究，所提供的傳熱系數(shù)缺乏工程上的普遍性和實用性。本文定義了一個具有很強應(yīng)用性的總傳熱系數(shù)這一概念，通過實驗和數(shù)

2、值方法研究不同工況和翅片尺寸下的熱管換熱器的總傳熱系數(shù)k，把IGBT功率、冷板最高溫度和氣流來流速度聯(lián)系在一起，這樣表征的熱管換熱器為IGBT熱管冷卻的研究與工程應(yīng)用之間搭建橋梁。
　　首先，本文對BSM10GP120型IGBT的熱損耗進(jìn)行估算，并分析熱管冷卻IGBT的傳熱過程中各段熱阻。其次，把整個熱管換熱器分成上下兩部分來研究，用Fortran語言對冷板部位的傳熱過程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到冷板在不同尺寸和內(nèi)弧半徑下導(dǎo)熱的形狀因子。

3、通過對熱管換熱器整體傳熱過程的分析，得到兩個部分傳熱系數(shù)k1、k2的表達(dá)式，兩部分傳熱的表達(dá)式通過絕熱段的工質(zhì)溫度tin聯(lián)系在一起，進(jìn)而整合出整個換熱器的總傳熱系數(shù)k。然后，對熱管換熱器進(jìn)行實驗研究。在三種熱流密度下，測量不同風(fēng)速條件時換熱器冷板的壁面溫度及空氣流經(jīng)翅片的進(jìn)出口溫度、進(jìn)出口壓差等，得到對應(yīng)工況下?lián)Q熱器的傳熱系數(shù)、阻力系數(shù)。最后，用Icepak軟件對熱管換熱器進(jìn)行數(shù)值模擬和分析。比較和分析翅片寬度分別為38mm、42mm、

4、46mm、50mm及54mm時對應(yīng)的冷板溫度、換熱器的傳熱系數(shù)、翅片表面對流換熱系數(shù)、換熱器前后壓差、努塞爾數(shù)、翅片肋效率;保持翅寬為定值，比較和分析翅片間距分別為2mm、2.3mm、2.6mm、2.9mm、3.2mm時對應(yīng)的冷板溫度、換熱器的傳熱系數(shù)、翅片表面對流換熱系數(shù)、換熱器前后壓差、努塞爾數(shù)、翅片肋效率。
　　1)通過對冷板導(dǎo)熱的數(shù)值模擬數(shù)值模擬，得到不同尺寸的冷板的導(dǎo)熱形狀因子。冷板的形狀因子的值呈現(xiàn)隨冷板厚度的增大而減

5、小，隨內(nèi)弧半徑的增大而增大的規(guī)律。
　　2)通過實驗研究得到熱管換熱器在不同風(fēng)速下的總傳熱系數(shù)及翅片側(cè)的阻力系數(shù)。在入口風(fēng)速較小時，冷板溫度的下降趨勢大于進(jìn)出口壓差的上升趨勢;在入口風(fēng)速達(dá)到一定值時，進(jìn)出口壓差的上升趨勢要大于溫度的下降趨勢。
　　3)在片間距及加熱功率和來流風(fēng)速一定時，隨著換熱器翅片寬度的增加，冷板溫度降低，換熱器傳熱系數(shù)升高，進(jìn)出口壓差也隨之升高;隨翅片寬度的進(jìn)一步增加，冷板溫度降低幅度變緩，而換熱器進(jìn)出