环境卫生学实验课程整合与实践概念设计功率电

发布时间：2022-10-02 21:14 热度：

　　基于热力学质量连续方程和能量守恒方程，与热测试判据结合，阐述风冷系统概念设计、风机选型设计要素，结合案例以图解法分析风机工作中全压的损失和管道风阻特性的匹配。

　　关键词：功率电源，热测试，概念设计，流体阻力损失系数

　　在电力电子产品概念设计阶段，常遇到硬件原理、器件选型和3D样机尚不完善，在预估热损耗和模块尺寸前提下，需确定风机型号，开展方案迭代设计的需求。此阶段往往不具备热仿真介入的输入条件，基于热设计的理论和热测试的经验、判据对这类项目的推进则尤为重要。

　　1散热理论模型

　　1.1质量连续方程

　　典型的电源风冷系统（图中去除盖板），含风机、进风口、出风口，热源，散热器、机箱如图1，在t和t+dt时刻流经系统的固定质量体如图2，在dt时间间隔内，该质量体移动位置并改变形状。定义这两个时刻控制质量边界和交集为控制体积C，dVA和dVB分别是控制体积C之外的部分，A和B的体积。假设Vi，Ai，ρi和Ve，Ae，ρe分别是入口和出口的处的速度、截面积和密度，在t和t+dt时刻，分别存在m(t)＝dmA+mC，m(t+dt)＝dmB+mC因控制质量恒定，存在dmA＝dmB满足dmA＝ρidVA＝ρiAiVidt，dmB＝ρedVB＝ρeAeVedt，有质量连续方程式（1）。ρiAiVi＝ρeAeVe（1）其中，乘积ρAV称为质量流量，用m表示。

　　1.2能量守恒方程

　　定义Pi，ei和Pe，ee分别为入口和出口处的压力和单位质量总能。在时间间隔dt内，有很少的热量δQ传递至控制质量，并对控制质量做功δW。且t时刻的控制质量在入口处体积被压缩dVA，在出口处膨胀dVB。即在入口处对控制质量做功式（2），在出口处控制质量对外做功式（3），控制质量的能量平衡为式（4），控制质量的能量在t+dt时刻和t时刻的能量差为式（5），当控制的体积中没有功的输入和输出，且为稳态系统时，有式（6）、

　　2风冷系统温升设计

　　对于电子产品的热测试，系统温升指出风口平均温度与环境温度之差，局部温升为出风口局部温度与环境温度之差。对户内产品采用直通风时，设备工作在最高环境温度，系统温度应控制在8～15℃；采用单独风道时，系统温度宜控制在5～10℃。热耗分布均匀时，温升取较大值，反之取小。对局部温度，户内产品应在65℃以下，户外产品应在75℃以内。在产品设计概念阶段，系统方案的设计温升可参考上述热测试判据。

　　3功率电源物理模型

　　现功率单元方案概念设计风机（图4）待选型D2E133AM4701或D2E146AP4701，IGBT工作在整流工况热损耗值712.8W/个，总计2138.4W。三组IGBT沿散热器长度均布。电源运行在标准大气压下，环境温度45℃，设计出口最大温升15℃。试判断现功率电源热设计是否满足。拟选型风机性能曲线如图5。散热器选型采用组合型材XHX-503,孔隙率为0.592mm，长度490mm，如图6。标准大气压下空气物理特性如表1所示。

　　4理论验证

　　风冷系统热流量计算。依据前述质量平衡方程式（1）、能量守恒方程式（6）及表1物理特性参数通过插值，对现设计方案，得到两种风机就功率电源不同的设计温升方案和散热量分布，如表2。考虑到在测试端系统温升和局部温升存在不均匀性和相应的散度，且方案结构设计为独立风道，故温升应控制在5～10℃最佳，系统所需风量有热分布应排除D2E133AM01,预选风机风量为D2E146AP4701。风机全压与系统流阻特性校核。流体在系统中流动时，需要克服流体阻力，存在因流体运动时介质分子和紊流黏性产生的沿程阻力损失和因管道形状发生变化，流体脱离管壁造成涡流或收缩、扩散、绕流，越过格栅等形成的局部阻力损失。风机全压在工作中必须与风道的管路特性相符，避免风机选型因风压不足，造成工作点不理想，处于低风量位置热设计失效。风机风压校核及误差分析。依据D2E146风机特性曲线和功率电源管路特性方程，通过作图法有图7。图中曲线C即为由阻力系数计算的风阻曲线，曲线C与风机的PQ曲线A的交点（Qζ,∆Pζ）即为图解法所得的风机工作点。由对应坐标可知，该工作点为（587.5cfm，219.4Pa）。显然图解法所得的风机工作点的工作风量略大于热流量计算时的D（Qair80%,∆Pair80%）设计风量。该风机全压符合管路特性要求。图解法求得风量小于设计有效风量时，按风压较高规格的风机，重新迭代计算。

　　5结语

　　电力电子产品概念设计阶段，存在器件选型、结构尺寸和设计功耗的不断调整，方案具有不确定性。而本文所述的风机选型方法其精度足以满足所处项目阶段方案设计、版本迭代的需求，持有一定裕量，在环境温度发生变化时，产品仍可正常工作。并且通过对同类产品设计验证测试（DVT）、产品验证测试（PVT）和CAE热仿真等试验的积累，就部分阻尼系数修正，可就以计算模型精度不断提升。经多个项目验证，该方法在产品概念设计中确有较大借鉴意义。

　　参考文献

　　[1]Shabany.Y.,余小玲，吴伟烽，刘飞龙.传热学：电力电子器件热管理[M].北京：机械工业出版社，2013.

　　[2]华邵曾，杨学宁.实用流体阻力手册[M].北京：国防工业出版社.1985.

　　作者：孙涛 卫拓 李海波