关键词：大功率；水冷；热仿真
Abstract: The design of water-cooling power unit is crucially important in the high power inverter. In this paper, a structure of water-cooling power unit is proposed. Temperature and pressure drop of cold plate is obtained, and the feasibility of the method is verified by comparison between theoretical calculation and thermal simulation.
Keyword: High power; Water-cooling; Thermal simulation
1 引言
随着现代电子电力技术和微电子技术的发展、大功率的IGBT（绝缘栅双极性晶体管，Insulated Gate Bipolar Transistor）等器件的日益成熟、能源价格的不断上涨、世界能源日渐贫乏、国家节能减排力度的加大等因素，大功率高压变频调速装置的应用领域、范围也越来越广泛，如石油化工、冶金、电力能源等行业中的各种风机、水泵、磨机等[1]。
功率单元是高压变频器中的重要组成，也是实现高压变频调速装置的关键结构件。目前，国内大功率功率单元的散热方式多以风冷散热为主，并且其发展也受到铝挤型散热器散热能力的限制，存在单元体积大、重量重等缺点。此外，水冷高压变频器技术多为国内外大公司掌握，如西门子、ABB、合康等。
为克服大功率风冷功率单元的不足，本公司开发设计了一种水冷型大功率功率单元。通过采用水冷散热方案，可很好地解决大功率风冷功率单元容量小、体积大等难题，也兼顾了大容量高压变频器的需求。
2 热设计与仿真
功率单元中功率开关器件的功率损耗是整个单元中发热量最严重的元件，该水冷单元主要发热器件为整流IGBT和逆变IGBT；一个IGBT模块的总损耗包括单个IGBT及其并联二极管的损耗；以10kV、7000kW高压变频器、整流IGBT和逆变IGBT为FF1000R17IE4为例来计算整流和逆变损耗。
IGBT的损耗包括通态损耗和开关损耗[2,3]即：
（1）
式（1）中：PA为一个IGBT模块的总损耗，PQ为一个IGBT模块的通态损耗，PD为一个IGBT模块的开关损耗，PSS为IGBT一个IGBT模块的通态损耗，PSW为IGBT一个IGBT模块的开关损耗，PDC为IGBT内二极管模块的通态损耗，Prr为IGBT内二极管模块的开关损耗。
IGBT通态损耗：
（2）
式子（2）中：M为调制系数，Cos
为功率因数，VCE0为IGBT集电极-发射极饱和电压，ICP为IGBT通态时流过的电流，rCE为IGBT内部阻抗。
IGBT开关损耗：
（3）
式子（3）中：fsw为开关频率，Esw（on）p为IGBT开通损耗能量（每脉冲），Esw（off）p为IGBT为关断损耗能量（每脉冲），ICN为IGBT标称电流值，VCEN为IGBT集电极-发射极标称电压值，Vdc为直流母线电压值。
二极管通态损耗：
（4）
式子（4）中：VF0为二极管导通时正向压降，ICP为二极管导通时流过的电流，rF为二极管自身阻抗值。
二极管开关损耗：
（5）
式子（5）中：Ediode（off）p为二极管关断损耗能量（每脉冲）。
将相关参数代入上述公式，整流IGBT模块的损耗为1922W；逆变IGBT模块的损耗为882W；故需要水冷散热器的总热量为3X1922+882X2=7530W；依据电气工程师提供的电路图和电器件尺寸，在仿真软件中建立仿真模型，整流和逆变IGBT的特征参数如附表所示。水冷仿真的介质为50%乙二醇溶液；水流量按照30L/min；进口水温度按照最大值50℃进行仿真，要求水冷板的温升值不超过30K；水冷板压力下降最大为1.3bar。得到仿真分析结果如图1所示：从图1中可看出，水流量在30L/min时，水冷板压降和温升均能满足要求。
图1 流速和温升、压降曲线图
3 结构设计
依据上述仿真分析结果和电气工程师提供的电气件型号，建立相关三维模型并对该水冷单元进行结构设计如图2和图3所示。
图2 水冷单元三维模型（不含外壳） 图3 水冷单元三维模型（含外壳）
该功率单元是一种高度集成化的水冷功率单元，包括水冷板、IGBT、复合母排、吸收电容、薄膜电容、单元框架等。
结构布局上，薄膜电容在单元下部，水冷板及其其他器件在上部并倒置放置；薄膜电容之间通过复合母排连接；水冷板内置流道，在其上依次布置整流、逆变IGBT和放电电阻、复合母排、吸收电容等；IGBT复合母排和电容复合母排通过水冷单元的两侧螺钉连接到一起；功率单元的电源板、整流控制板和逆变控制板单独放在控制箱体内部、并通过SMC绝缘板隔开，放置在水冷板上部，极大地减少了干扰和电感等；箱体的上封板增开了散热孔，方便控制板的散热；
单元顶部布置了吊环，方便了单元整体的移动、安装和拆卸；单元交流输入和交流输出分别布置在单元前侧和后侧；水冷单元前部安装了拉手，方便单元的安装和拆卸。
功率单元水冷板采用真空钎焊水冷散热器，功率单元的进出水口布置在水冷板的前部上，并采用快插水接头，方便与水冷系统的水管进行连接，合理地布局了交流输入输出电缆和水冷管，也方便水冷系统和功率单元的维护。
前后支撑板上留设有薄膜电容散热风道的长腰孔，方便为其进行散热；也留设长方形孔，方便进线出线铜排穿过，也防范了进线和出线涡流现象的产生。
与公司现有风冷功率单元相比，该功率单元具有以下优点：
（1）集成了电容，结构紧凑，提高了水冷单元的空间利用率，也为后期水冷高压变频器的设计提供了基础；
（2）电容单元之间、IGBT之间均采用了叠层复合母排；单元的控制板离复合母排、电子器件较远，并采用绝缘板隔开；均可减少了干扰和杂散电感；
（3）该单元为模块化设计、可扩展性较强，可作为不同电压等级高压变频器的功率单元；
（4）该功率单元可覆盖17500kW以下的容量高压变频器；
（5）此外，上部控制箱体、与水冷板、IGBT和复合母排单独组成一个部件，可方便地进行拆卸，方便了控制板和IGBT部件等更换。
4 结论
通过理论计算、仿真分析，设计了该水冷功率单元的结构，验证了方案的可行性。目前该功率单元已完成相关设计，很快将进入到生产装配。
参考文献：
[1]田齐金,李忠峰,申大力,凡念. 一种超大功率高压变频器:中国,201610362834.6[P]. 2016-10-26.
[2]张英锋. 大功率风冷功率单元的设计与研发[J]. 变频器世界,2018,6,74-76.
[3]张英锋. 应用仿真软件对功率单元散热器进行设计优化[J]. 变频器世界,2018,12,101-103.
作者简介：
张英锋（1989.4-），男，硕士，中信重工机械股份有限公司，工程师，研究方向：电力电子技术及其高低压变频器、水冷变频器等研发。
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