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電力電子器件在工作中會產(chǎn)生損耗，這些損耗會轉(zhuǎn)化為熱量。若熱設(shè)計不合理，電力電子器件的結(jié)溫過高，將導致電力電子器件的失效率增大，較高的過溫還會造成器件燒毀，直接影響電力電子裝置的壽命和可靠性。隨著大功率電力電子裝置向高功率密度發(fā)展，電力電子器件的散熱問題越來越突出，進而影響了電力電子裝置的可靠性和穩(wěn)定性，成為電力電子裝置功率密度進一步提高的瓶頸。

隨著寬禁帶器件的發(fā)展，電力電子裝置的開關(guān)頻率得以提升，無源器件的體積顯著減小。對基于寬禁帶器件的強迫風冷電力電子裝置而言，散熱系統(tǒng)（包括散熱器和風扇）占裝置總體積的25%以上。因此，散熱系統(tǒng)體積優(yōu)化對提高電力電子裝置的功率密度起著關(guān)鍵作用。

目前，電力電子裝置的熱設(shè)計主要依賴工程實踐經(jīng)驗。有些學者基于實踐經(jīng)驗提出了一些經(jīng)驗公式，但經(jīng)驗公式通常誤差較大，且不具有普遍適用性。

在電力電子裝置設(shè)計之初，散熱設(shè)計應該和電路設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計同步規(guī)劃開展。散熱系統(tǒng)設(shè)計流程如圖1所示。值得注意的是，熱設(shè)計包括理論計算、熱仿真驗證、模擬實驗驗證等流程，耗時較長。因此，在熱設(shè)計完成之前，可以先利用傳統(tǒng)經(jīng)驗公式對散熱進行概要設(shè)計，初步驗證設(shè)計方案的可行性，并指導結(jié)構(gòu)設(shè)計和功率PCB布局。在熱設(shè)計的過程中，電路測試可以同步進行，以提升設(shè)計效率。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計流程

電力電子裝置的熱設(shè)計對高功率密度大功率電力電子裝置的可靠性起著重要作用。為了提高熱設(shè)計的準確性和設(shè)計效率，浙江大學電氣工程學院的研究人員綜合傳熱學與流體力學理論，提出了一種基于截面積二次方根為無量綱特征長度的綜合熱模型。同時，提出了一種針對典型強迫風冷散熱系統(tǒng)的體積最優(yōu)的優(yōu)化方法，該優(yōu)化方法亦可推廣到質(zhì)量最優(yōu)、損耗最優(yōu)等優(yōu)化設(shè)計當中。

圖2 散熱系統(tǒng)測試平臺

研究人員以380V/50kvar高功率密度SVG為例，利用本方法設(shè)計的散熱系統(tǒng)，較傳統(tǒng)概要方法體積可縮小30%。另外，相較于傳統(tǒng)熱模型平均熱阻誤差，本研究提出的綜合熱模型準確性有較大的提升。

本文編自2021年第16期《電工技術(shù)學報》，論文標題為“高功率密度SiC靜止無功補償器強迫風冷散熱綜合建模及優(yōu)化設(shè)計方法”，作者為林弘毅、伍梁 等。