Calcul de la résistance thermique de refroidissement par eau du radiateur IGBT haute puissance

Calcul de la résistance thermique de refroidissement par eau du radiateur IGBT haute puissance

Résumé : Afin d'optimiser la capacité de dissipation thermique du radiateur refroidi par eau et d'assurer son fonctionnement fiable, les principes et formules de base du transfert de chaleur sont cités, ainsi que les dimensions mécaniques de la forme du radiateur, le coefficient de transfert de chaleur par convection forcée de l'eau et la conductivité thermique de l'eau sont utilisées comme paramètres et les variables dérivent la formule de calcul de la résistance thermique de refroidissement par eau du dissipateur thermique.Dans le même temps, afin de répondre à l'application pratique, un logiciel spécial de calcul de résistance thermique et de dessin de courbe de radiateur refroidi à l'eau a été développé, qui peut afficher diverses courbes de résistance thermique changeant avec des changements de paramètres, et peut également calculer et afficher directement valeurs de résistance thermique.Il fournit une référence intuitive et pratique pour la sélection optimale des paramètres dans la conception du radiateur.

Mots clés : radiateur refroidi par eau ;calcul de la résistance thermique ;logiciel;radiateur IGBT haute puissance

La locomotive électrique Harmony est une locomotive électrique à onduleur AC-DC-AC utilisant la technologie des semi-conducteurs haute puissance.En raison de ses caractéristiques techniques telles que la régulation avancée de la vitesse de conversion de fréquence AC, le freinage régénératif, le contrôle du moteur AC haute puissance et le haut degré d'automatisation, il est largement utilisé dans les locomotives à grande vitesse et haute puissance dans le transport ferroviaire.Le convertisseur de chaque locomotive utilise trois types de modules IGBT, à savoir : le module hacheur à quatre quadrants (4QC), le module onduleur côté moteur (Inv) et le module onduleur auxiliaire.Enquête sur les défauts de 305 convertisseurs de locomotives électriques HXD1B dans un certain dépôt de locomotives de juillet 2009 au 4 mai 2011, et a constaté qu'un total de 4 880 modules étaient utilisés, avec 255 défauts, et le nombre de défauts Le module IGBT montre qu'à au moins une puce IGBT est en panne.Jusqu'à présent, il n'y a eu aucune défaillance de module causée par des raisons autres que les dispositifs à semi-conducteurs de puissance.Ce type de défaillance augmente avec l'augmentation de la température ambiante saisonnière.On peut en déduire que la défaillance de l'IGBT est étroitement liée à sa dissipation de chaleur, de sorte que le refroidissement et la chaleur numérique des appareils électroniques sont devenus l'un des axes de recherches ultérieures.En étudiant les problèmes de refroidissement et de dissipation thermique de l'appareil, les conditions de dissipation thermique sont optimisées et transformées, afin qu'il puisse fonctionner le plus longtemps possible dans un environnement avec une température appropriée et réduire l'incidence des accidents, ce qui joue un rôle important dans assurer le fonctionnement sécuritaire des locomotives de chemin de fer.

Dans cet article, à travers l'analyse du processus de dissipation thermique du radiateur IGBT haute puissance, les principes de base et les formules de transfert de chaleur sont cités en premier, et le calcul de la résistance thermique est divisé en résistance thermique de conduction thermique générée par le solide processus de transfert de chaleur dans le radiateur et le radiateur et le système de refroidissement.La résistance thermique de transfert de chaleur par convection produite par le processus de transfert de chaleur entre les liquides est en deux parties, et le calcul de la résistance thermique de refroidissement par eau du radiateur est déduit en prenant la taille mécanique de la forme du radiateur, le coefficient de transfert de chaleur par convection forcée de l'eau et le coefficient de conductivité thermique de l'eau comme formule de paramètres et de variables.Pour simplifier l'analyse, un logiciel de calcul de résistance thermique a été compilé.Le logiciel dispose d'une interface de fonctionnement simple et claire, qui peut afficher diverses courbes de résistance thermique changeant avec les paramètres, et peut également calculer et afficher directement les valeurs de résistance thermique.Il fournit une référence intuitive et pratique pour l'analyse de conception du radiateur.

1 Formules de base et principes de transfert de chaleur

1.1 Le principe et le mode de base du transfert de chaleur

La formule de base de la conduction thermique est :

Q=KA△T／△L (1)

Dans la formule, Q représente la chaleur, c'est-à-dire la chaleur générée ou conduite par conduction thermique ;K est le coefficient de conductivité thermique du matériau.△T représente la différence de température entre les deux extrémités ;△L est la distance entre les deux extrémités.La convection fait référence au transfert de chaleur dans lequel un fluide (gaz ou liquide) entre en contact avec une surface solide, ce qui amène le fluide à évacuer la chaleur de la surface solide.

La formule de la convection thermique est :

Q=hA△T (2)

Dans la formule : Q représente toujours la chaleur, c'est-à-dire la chaleur emportée par convection thermique ;h est la valeur du coefficient de convection thermique ;A est la surface de contact effective de la convection thermique ;△T représente la différence de température entre la surface solide et le fluide régional.

1.2 Calcul de la résistance thermique

La résistance thermique représente la résistance dans le processus de conduction thermique, et c'est un paramètre complet qui reflète la capacité d'empêcher le transfert de chaleur.Afin de simplifier l'analyse, après avoir simplifié le modèle de radiateur, on considère qu'il existe deux formes de résistance thermique de transfert de chaleur par convection et de résistance thermique de conduction thermique.Il existe une résistance thermique de conduction thermique dans la plaque plane du dissipateur thermique.La formule de calcul est :

Rnd=L／KA (3)

Dans la formule : L représente l'épaisseur de la plaque du radiateur ;K représente la conductivité thermique de la plaque aluminium ;A représente la surface de la section transversale perpendiculaire à la direction du flux de chaleur, c'est-à-dire la surface de la plaque.

La résistance thermique entre l'eau dans le radiateur et le dissipateur thermique est la résistance thermique de transfert de chaleur par convection.La formule de calcul est :

Rnv=1/hAs (4)

Dans la formule : As représente la surface totale effective de transfert de chaleur par convection ;h représente le coefficient de transfert de chaleur convectif, qui est lié au nombre de Nusselt.D'après la formule de calcul du nombre de Nusselt, la formule de calcul de h se déduit inversement comme suit :

Dans la formule : Nu représente le nombre de Nusselt ;λf représente la conductivité thermique du fluide ;h ici devrait être la conductivité thermique de la convection forcée de l'eau ;Dh est la longueur caractéristique géométrique représentant la surface d'échange thermique, représente ici le diamètre hydraulique de la conduite.

La résistance thermique totale définissant le dissipateur thermique est calculée comme suit :

Rtd=RnvλfB+RndKB (6)

Dans la formule : B représente la largeur du radiateur, et d'autres valeurs sont introduites plus tôt.Lorsque les dimensions extérieures du radiateur sont fixes, on peut voir à partir de la formule (3) que Rnd est une certaine valeur, et K et B sont des valeurs fixes.Si λf est constant, la résistance thermique totale du radiateur est directement liée à Rnv.Regardons la résistance thermique de transfert de chaleur par convection du radiateur.A partir de la formule (5), la formule (6) peut obtenir :

On peut voir à partir de la formule (7) que la résistance thermique du transfert de chaleur par convection est directement proportionnelle à Dh et inversement proportionnelle à As.On peut voir que le diamètre hydraulique de la canalisation ne peut pas être augmenté aveuglément afin d'augmenter la quantité d'eau en circulation, de sorte qu'un bon effet de refroidissement ne peut pas être obtenu.La réduction de Rnv réduira en conséquence la résistance thermique totale du radiateur et améliorera l'effet de dissipation thermique.En remplaçant la formule (3) et la formule (7) dans la formule (6), la formule de calcul de la résistance thermique totale est :

Où : le représente la longueur du radiateur ;λf est la conductivité thermique de l'eau et h est le coefficient de transfert de chaleur par convection forcée de l'eau.

1.3 Exemple de calcul

Généralement, lorsque le radiateur d'un équipement électronique adopte la méthode de dissipation thermique par refroidissement par eau, la circulation du liquide à l'intérieur du radiateur est divisée en deux types : canal série et canal parallèle.Comme le montre la figure 1, les sections transversales des canaux des deux modèles sont représentées respectivement.Parmi eux, le modèle A est une distribution de canaux d'eau en série, et le modèle consiste à ajouter plusieurs ailettes de refroidissement à chaque canal d'eau en série.Le modèle B est que les canaux d'eau parallèles n'ont que des canaux droits et que le liquide s'écoule à travers les canaux d'eau parallèles de l'entrée d'eau à la sortie d'eau.

La conductivité thermique de l'eau λf est sélectionnée à 0,5 W/mK et le coefficient de transfert de chaleur par convection forcée de l'eau h est de 1 000 W/m2K.Pour la commodité du calcul, les petites dimensions telles que l'épaisseur du dissipateur thermique sont ignorées.Les dimensions globales du dissipateur thermique du module IGBT à quatre quadrants pour locomotives sont L = 0,005 m, L = 0,55 m et B = 0,45 m.Les dimensions extérieures étant les mêmes, la différence de résistance thermique entre le modèle série A et le modèle parallèle B réside dans la différence de As.Définissez la surface des panneaux supérieur et inférieur de la paroi intérieure du radiateur, la surface des panneaux avant et arrière, la surface des panneaux gauche et droit et la surface totale du dissipateur de chaleur comme As1, As2, As3, et As4, respectivement.Le modèle de la série A dispose de 19 dissipateurs thermiques internes.As1 = 0,495 m2, As2 = 0,0432 m2, As3 = 0,0528 m2, As4 = 0,8208 m2.La surface de refroidissement effective totale devient : As=As1+As2+As3+As4=1,4118 m2.En substituant chaque paramètre dans la formule (9), la résistance thermique du modèle de la série A est obtenue comme suit :

Modèle B, comme on peut le voir sur la capture d'écran de la distribution de vitesse, l'eau entre par l'entrée d'eau et ne traverse que le tiers central du radiateur, et la vitesse d'écoulement des autres parties sur les côtés gauche et droit est proche de 0, ce qui est négligeable.De cette manière, la zone de dissipation thermique efficace des panneaux supérieur et inférieur peut être définie comme 1/3 de la surface globale, et la zone de dissipation thermique efficace des panneaux avant et arrière est également 1/3 de la surface globale.L'absence de débit d'eau à travers les panneaux gauche et droit ne compte pas comme zone de dissipation thermique effective.Le nombre effectif de débit d'eau à travers le dissipateur thermique central est de 6 pièces.Ensuite il y a :

2 Logiciel pour résoudre la résistance thermique du dissipateur thermique et tracer la courbe de résistance thermique

2.1 Formulaire d'interface

La forme de l'interface principale est représentée sur la figure 3. Selon les besoins, ce logiciel conçoit principalement deux modules fonctionnels.L'un est un module pour calculer les valeurs de résistance thermique spécifiques au refroidissement par eau, et l'autre est un module pour dessiner les courbes de résistance thermique du refroidissement par eau.

L'interface du module de calcul de la résistance thermique du refroidissement par eau du radiateur est illustrée à la Figure 4.

Parmi eux, l est la longueur du radiateur, l'unité est m;B est la largeur du radiateur, l'unité est le mètre ;L est l'épaisseur du radiateur, l'unité est le mètre ;A est la surface de refroidissement effective totale du radiateur, l'unité est le mètre carré ;h est le coefficient de transfert de chaleur par convection forcée de l'eau, unité W/m2K ;λ est la conductivité thermique de l'eau, l'unité est W/mK.Le résultat du calcul est la valeur de résistance thermique du radiateur refroidi par eau, et l'unité est cm2K/W.La fonction de ce module a la nature du calcul, qui peut réaliser le calcul de la valeur de résistance thermique correspondante du radiateur dans les conditions de la taille géométrique du radiateur, du coefficient de transfert de chaleur par convection forcée de l'eau et de la conductivité thermique de eau.Le module de dessin de la courbe de résistance thermique du radiateur refroidi par eau est représenté sur la figure 5 et la figure 6. La signification de ses paramètres est la même que celle de la figure 4. La courbe du radiateur refroidi par eau donne la relation quantitative entre le total surface du radiateur, le coefficient de transfert de chaleur par convection forcée de l'eau et la résistance thermique.Deux problèmes sont résolus;pour un radiateur avec une zone de dissipation thermique effective donnée, afin d'obtenir une résistance thermique spécifique, combien de coefficient de transfert de chaleur par convection forcée de l'eau doit être atteint, c'est-à-dire quel diamètre de tuyau est nécessaire.Pour un coefficient de transfert de chaleur par convection forcée spécifique de l'eau, comment contrôler la résistance thermique à travers la zone de dissipation thermique du radiateur.

2.2 Instructions de calcul de la résistance thermique

Le processus de dessin des courbes de résistance thermique des Fig. 5 et Fig. 6 est illustré ci-dessous avec des exemples.Dans "1.3 Exemples", la résistance thermique totale du modèle de la série A et du modèle B a été calculée.Tout d'abord, nous remplissons les blancs correspondants avec la conductivité thermique de l'eau λ=0,5 W/mk, L=0,005 m, ls=0,55 m, B=0,45 m.Choisissez ensuite le type de courbe.Sous différents coefficients de transfert de chaleur par convection forcée de l'eau, la relation entre la zone de dissipation de chaleur effective du radiateur et la résistance thermique est illustrée à la figure 5. Sous différentes zones de dissipation de chaleur effective, la relation entre le coefficient de transfert de chaleur par convection forcée de l'eau et la résistance thermique est illustrée à la figure 6. Il y a aussi "Calculer la résistance thermique de refroidissement par eau" en bas à gauche de l'interface, cliquez pour entrer dans l'interface de calcul de la résistance thermique, comme indiqué sur la figure.Remplissez chaque valeur de paramètre comme requis : λ=0,5 W/mK, L=0,005 m, ls=0,55 m, B=0,45 m, h=1 000W/m2K lorsque la zone d'entrée est de 1,4118 La valeur de résistance thermique calculée est de 92,502 801 066 337 cm2K/W, ce qui est cohérent avec le modèle de calcul Résultat de la formule ci-dessus 92,503 cm2K/W.