黄小娟，王晓丽，叶 娜（中国中车永济电机有限公司，陕西 西安 710000）
摘 要：简介了内燃机车空调电源的全体结构，对模型中的热源及影响散热的首要要素进行剖析。经过对散热器规划及发热元器材布局进行规划，终究确认空调变频器最优的全体模型结构规划，并运用典型的热仿真剖析软件Icepak对其结构模型进行热仿真剖析、验证。
关键词：热源；散热影响要素；结构规划；热仿真剖析
0 导言
跟着电力电子技术的快速开展，体系的高可靠性、设备的小型化需求成为开展趋势。电子设备的功率密度不断加大，集成度也不断提高，可靠性将面对严峻的应战。假如电子设备结构规划不合理，运转时或许导致温度过高、失功率添加、终究使设备功能下降，乃至形成毛病。因而，电子设备的热规划是影响体系可靠性的一个重要组成部分。
本文以某内燃机车空调电源为例，提出依据热剖析的电源结构规划的办法。首要对散热影响要素进行要点剖析，剖析元器材的布局与设备、散热通道规划等对散热作用有影响的问题；然后对最优的电源结构规划做热仿真剖析，然后验证了该结构规划的可靠性。
1 内燃机车空调电源的全体结构
机车司机室电气柜内选用DC 74 V供电，空调机组均为AC 220 V沟通电机，为满意空调机组的用电需求，内燃机车空调电源将DC 74 V变换为AC 220 V供空调机组运用。本规划选用对直流输入电压先进行Boost升压再逆变的操控计划。先将DC 74 V升压为DC 500V，再经过三相桥逆变电路将直流电逆变为三相沟通电AC 220 V，为空调机组供给电源。
由图1可知，空调电源体系的主电路包含直流斩波升压和逆变两个部分：斩波升压电路所用的部件由升压电感、斩波用IGBT、升压电容、电压传感器构成；三相桥式逆变电路中主开关器材选用高功能IGBT、电容和电感组成的LC滤波电路。
该空调电源箱体中，一切的电子元器材都要耗费电能，其间一部分电能转化为热能。假如对体系中一切发热的元器材都进行热剖析，既杂乱又困难、也没有必要。因而只需考虑该体系中的首要发热元器材（如：IGBT模块、电感、电容等），并凭借ANSYS热剖析对体系中的首要发热元器材进行剖析，简化模型中将不考虑其他的发热元器材 [3] 。经过缜密的核算和参数的挑选，电源箱体中首要的发热元器材在满负载运转时的功率损耗如表1所示，该空调电源的作业条件如表2所示。
本规划的首要发热元器材有八个,其间一对电感、电容是用在Boost升压电路中；一对电感、电容是用在DC—AC变换器中组成的LC滤波电路；别的还有一个斩波用的IGBT模块和逆变体系中组成三相桥式逆变电路所用的三个IGBT模块。
为了合作内燃机车上空调机组的用电所需，则该空调电源的设备方法以及外形尺度已然确认。因而，咱们将在现有的空间尺度内对各个元器材进行合理布局，并用ANSYS软件进行热剖析，以得出最优的结构规划，确保该电源可以正常作业。
2 散热的影响要素剖析及规划使用
因为箱体的散热方法选用强制风冷散热，且散热器规划选用铝原料。则影响散热的首要要素有：散热器规划、发热元器材的布局、通风道规划等 [2] 。下面将对这些影响要素进行逐个剖析，然后得出最优的结构布局。
2.1 散热器的规划及影响剖析
在空调电源的根本结构体积、各元器材的功耗确认的前提下，在结构规划中，结合箱体、电容、电感、电扇等其他元器材的外形尺度、体积巨细、布线等要素的归纳考虑后，终究确认了散热器的最大答应空间尺度为：345 mm × 300 mm × 100 mm (长 × 宽 × 高)，资料选定为铝材（比铜轻且价格便宜）。
散热器的热阻除了与资料有关，也与形状、尺度及设备方法等要素有关。散热器规划中所触及的几许参数首要有肋片厚度、肋片距离、肋片高度、肋片数量、基座的尺度等 [4] 。本文别离对以上要素对散热作用的影响做了仿真剖析。散热器的示意图如图2所示，其根本尺度数值见表3。
2.1.1 肋片参数的影响剖析
假定该散热器水平面上放置有3个热源，原料为铜，三个热源之距离离均为39 mm，功耗均为500 W，风量设定为205 cfm，环境温度20 ℃。因为该电源箱体中遭到全体结构的约束，所以肋片的全体尺度、基座和肋片高的尺度不会有大的改变，这些尺度是必定的。
尺度必定的条件下，肋片的厚度、数量、距离3个参数之间彼此影响。其间一个参数不变时，本文对其他两个参数的改变趋势进行剖析和研讨。在强制风冷的散热方法下别离用ANSYS做热剖析仿真，则剖析的成果如下表4所示。
从表4的剖析成果可以得出以下定论:
1) 在固定的散热器空间下，当肋片数量必守时，肋片的厚度不断添加，肋片距离减小，散热温度跟着先下降后升高（全体改变趋势出现升高趋势），这说明在必定的尺度和肋片数下，肋片厚度应尽量薄，且存在一个最佳值 [5] 。如图3所示为散热器温度随肋片厚度改变曲线图。
2）在固定的散热器空间下，当肋片的厚度必守时，跟着肋片距离的添加，肋片数量不断削减，散热器的温度也跟着下降，可是下降到必定程度时，温度反而升高。这是因为跟着距离的添加，肋片数量不断削减，然后引起散热面积的下降，所以温度升高，它们之间起着彼此约束的作用 [1] 。如图4所示，为散热器温度随肋片距离改变曲线图。
3）由图4可知，跟着肋片厚度的添加，不管肋片距离的改变，散热器的全体温度都在升高。因为考虑到加工能力的约束，因而不考虑肋片厚度为1 mm的状况。
从上述剖析成果可知，该电源最优的散热器规划可选用：肋片厚度为2 mm，肋片距离2 mm，肋片数量73的肋片结构。图5所示为肋片厚度2 mm的散热剖析温度图。
2.2 IGBT在散热器外表的布局影响剖析
发热元器材的合理组织和布局是散热规划的重要内容，在进行该项作业前，应依据电子设备中每个元器材发热状况，合理的组织各元器材方位，以防热量的积储。
依据现有的研讨成果，在电子设备中，假如两个元器材在一块设备板上水平方向放置，则元器材之间应在空间答应的状况下恰当增大设备距离，元器材的温度才会随之下降 [1] 。
3.2.1 热源的散布影响剖析
在散热器基板尺度（340 mm × 295 mm × 10mm）、资料（铝材）、环境温度（20 ℃）和总热量不变的状况下，考虑到箱体全体布局及布线等要素的影响，热源的布局规划有下面两种状况，如图6所示。
注：为剖析热源布局的最优规划，假定元器材V 1 为500 W；V 2 均为350 W，环境和风量必定。
本文对上述两种热源布局别离做了热仿真剖析，布局方法1温度为71.16 ℃，布局方法2温度为61.14 ℃。详细散热温度散布图如下图7所示。
从剖析成果可以看出，布局方法2的散热作用最好，可见功耗大的元器材应距入风口较近，热源最好是涣散布局，有利于各个方位的温度均衡，减小彼此之间的散热影响。
3 空调电源全体结构规划模型
在原有内燃机车KACINV6型EMD空调电源的机械结构的基础上，依据电源设备的安放空间，结合电磁搅扰、散热和后期的设备工艺等要素，终究，空调电源的全体最优结构模型如图8所示。
在列车运转过程中，YGN2QI01型空调电源需装在司机室，且在继续作业时将会发生很大热量，仅靠自然通风是不能满意散热的需求，所以在机械结构规划中，咱们选用逼迫风冷的通风散热方法，从两个旁边面进行排风，吸入的空气顺着风道扫过Boost电抗器、Boost输出电容、三相逆变、LC滤波电抗器和LC滤波电容，然后从另一侧排出，然后确保了该电源设备可以长期作业。主接触器、继电器、EMC等低压电器和操控板置于箱体的前半部分。电扇由三相逆变后供给的三相220 V/ （30 Hz、60 Hz、45 Hz）电源。
三相逆变IGBT与Boost输出电容间选用低感复合母排衔接，使IGBT高速开关形成的过电压到达最小，IGBT安全作业区扩展，运用寿命延伸。
4 结构规划的热仿真剖析
本规划选用ANSYS Workbench有限元软件进行剖析，在不影响热特性和核算精度的前提下，在DesignModeler下对其进行简化处理，并导入Icepak进行参数设置及网格区分，最终进行热特性剖析。图9所示为网格图。
依据设定的工况对模型进行核算，仿真成果如图10所示。因为IGBT模块是箱体中最首要的热源，斩波模块IGBT芯片功耗最大，为45 W。由图10可看出，该模型的最高温度也反映在斩波用IGBT芯片上，它的温度为73.961 ℃。该三维模型的最高温度在合理的区间内，综上所述，所规划的机车空调电源布局及热特性均满意上述工况。
参考文献
[1] 吕冰. 典型电源设备的热规划剖析与研讨[D]．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008.
[2] 王丽.大功率电子设备结构热规划研讨[J].专题技术与工程使用，2009，(1):61-64.
[3] 张锋.依据ANSYS的DC/DC电源模块热剖析和热规划研讨[D].重庆：重庆大学，2008.
[4] 杨育良.大功率器材的散热体系规划与研讨[D].北京:华北电力大学，2012.
[5] 赵惇殳.电子设备热规划.北京:电子工业出版社，2009.
本文来源于科技期刊《电子产品世界》2020年第01期第64页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
