大功率电力电子器件相变冷却技术的实验研究

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1、大功率电力电子器件相变冷却技术的实验研宄马本栋胡书举王玲玲国建鸿中国科学院电工研宄所摘要：大功率电力电子器件的冷却散热问题，已成为集成化大电容发展的瓶颈，受到越来越广泛的关注。文中采用相变冷却技术，设计两种冷板:带有强化换热结构和非强化换热结构，用于绝缘栅双极型晶体管模快（InsulatedGateBipolarTransistorIGBT）散热，对两种冷板温度分布进行数值模拟，并利用自建的实验平台对两种冷板的性能进行模拟试验。结果表明:两种结构的冷板均能满足功率器件的结温要求，同功率条件下，带

2、有强化换热结构的冷板温度更低，具有更好的均温性，在3000W和4000W功率下，冷板温度分别为56.6°C和59.5°C，为系统结构设计提供指导。关键词：冷却结构;相变冷却;实验研究;数值模拟;作者简介：马本栋（1989一），男，实习研究员，主要研究方向为蒸发冷却电力设备结构设计及温度控制技术。Email:mabendong@mail.iee.ac.cn作者简介：胡书举（1978一），男，副研究员，主要研究方向为风力发电控制及冷却技术。作者简介：王玲玲（1983一），女，助理研究员，主要研究方向

3、为可再生能源发电及冷却技术。作者简介：国建鸿（1972—），通讯作荠，女，副研允员，主要研允方向为蒸发冷却电力设备及系统控制技术。收稿日期：2016-12-30基金：太阳能发电技术北京市重点实验室2015年度科技创新基地培育与发展专项项目（Z151100001615004）Experimentalstudyonphase-changecoolingtechnologyinhighpowerelectronicdevicesMaBendongHuShujuWangLinglingGuoJianho

4、ngInstituteofElectricalEngineering，ChineseAcademyofSciences;Abstract：MoreandmoreattentionsarepaidfortheheatdissipationproblemofMegawatt-classconverterIGBTsinceithasbeenthebottleneckinthedevelopmentofintegratedlargecapacitors.Thispaperpresentsanexperi

5、mentinwhichtwokindsofIGBTmodulecoldplatesaredesigned,onenormalandtheotherwithheattransferenhancementrespectively.Thetemperaturedistributionsofthetwokindsofcoldplatesweresimulatednumerically,andtheperformancesalsoturnedoutbyusingself-builtexperimental

6、platform.Thetwokindsofdifferentstructuralcoldplatescouldsatisfytherequirementsofthepowerdevicejunctiontemperature,andwhichoftheheattransferenhancementcoldplatesshowedlowerthan5Kwithmoreuniformtemperaturedistribution.Tnthepowerof3000Wand4000W,thetempe

7、ratureofcoldplatesread56.6°Cand59-5°C，whichprovidedguidanceforsystemstructuredesign.Keyword：coolingstructure;phase-changecooling;experimentalstudy;numericalsimulation;Received：2016-12-300引言大功率电力电子装置作为电力设备电能转换和电路控制的关键部件，被广泛应用于高压直流输电、风力发电、光伏发电的变频设备。IGB

8、T作为其核心器件，工作过程屮频繁通、断，产生大量的热损耗，而IGBT本身有结温要求，结温影响器件使用寿命甚至直接损坏，降低了设备安仝可靠性;随着设备向模块化、集成化、高频化、小型化的方向发展，解决IGBT的散热问题直接决定设备的运行稳定性、可靠性［1-5］。目前广泛应用的冷却方式主要伍括：自然风冷、强迫风冷、水冷等，虽然一定程度上解决了散热问题，但仍存在各自的不足，自然风冷的散热效率低，很难满足电力电子设备高散热效率的要求。强迫风冷较自然风冷的散热效率大大提高，但其冷却过程中风扇的噪声大，可靠性