检索结果-内蒙古大学图书馆

电工技术学报 2023年第18期38卷 4963-4977,4993页

作者：李恺颜曾正孙鹏王亮邹铭锐韩绪冬输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学) 重庆400044

集成Pin-Fin散热器可以降低功率模块的结-流热阻,是车用电机控制器热管理的发展趋势。然而,传统参数设计方法无法定量表征Pin-Fin的形貌结构,设计自由度低、设计效果欠佳,难以实现Pin-Fin的热-流协同设计。基于变密度拓扑优化方法,该文... 详细信息

集成Pin-Fin散热器可以降低功率模块的结-流热阻,是车用电机控制器热管理的发展趋势。然而,传统参数设计方法无法定量表征Pin-Fin的形貌结构,设计自由度低、设计效果欠佳,难以实现Pin-Fin的热-流协同设计。基于变密度拓扑优化方法,该文提出一种Pin-Fin形貌结构的设计方法,建立Pin-Fin设计的变密度拓扑优化模型,分析模型参数对优化结果和收敛性的影响规律,形成以结-流热阻和冷却液压降为目标的协同优化方法,探索Pin-Fin结构的热-流耦合规律和强化换热方法,得到最优的Pin-Fin散热器形貌结构,搭建变流器实验平台和车用电机控制器样机,对标商业化圆形Pin-Fin结构,以及三角形、菱形和水滴形等其他形貌结构,计及母线电压、负荷电流和冷却液流量的影响,实验结果验证了所提模型方法的可行性和有效性。实验结果表明:基于拓扑优化方法设计的Pin-Fin结构,与传统结构相比可以降低12%的结-流热阻,消除了多芯片结温差异的80%,为车用功率模块和电机控制器研究提供新的思路。

关键词：车用功率模块集成Pin-Fin散热器拓扑优化方法热-流协同优化设计

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基于响应面的车用功率模块Pin-Fin优化设计

引用

电工技术学报 2022年第22期37卷 5836-5850页

作者：张嘉伟曾正孙鹏王亮输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学) 重庆400044

集成Pin-Fin散热器可以降低功率模块的结-流热阻,提升车用电机控制器的功率密度和可靠性,是车用功率模块先进热管理技术的发展趋势。然而,Pin-Fin散热器的设计面临电-热-流多物理场耦合的挑战,难于解析表征与定量优化,设计的周期长、成... 详细信息

集成Pin-Fin散热器可以降低功率模块的结-流热阻,提升车用电机控制器的功率密度和可靠性,是车用功率模块先进热管理技术的发展趋势。然而,Pin-Fin散热器的设计面临电-热-流多物理场耦合的挑战,难于解析表征与定量优化,设计的周期长、成本高。基于响应面优化方法,该文提出一种集成Pin-Fin散热器的模型化设计方法,建立集成Pin-Fin形貌结构与阵列排布的数学描述,给出Pin-Fin散热器热-流性能的理论模型,建立Pin-Fin的多目标优化模型,获得Pin-Fin散热器结构的最优设计。为了验证理论模型和优化设计的可行性和有效性,搭建面对面变流器对拖实验平台,对标商业化车用功率模块的Pin-Fin设计,采用大量固定工况,以及实际车用工况实验结果,对比验证优化后的Pin-Fin能降低车用功率模块7.62%的结-流热阻,减小65%的功率模块损伤,提升车用电机控制器寿命1.8倍,为车用功率模块低热阻集成Pin-Fin散热器提供新的研究思路。

关键词：车用功率模块集成Pin-Fin散热器响应面方法多目标优化设计

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车用功率模块的散热器结构优化设计

车用功率模块的散热器结构优化设计

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作者：李恺颜重庆大学

学位级别：硕士

高压大容量、高功率密度、高可靠,是车用电机控制器的持续追求目标。得益于Si C等宽禁带器件的快速发展,车用电机控制器越来越小型化、轻量化、集成化,芯片单位面积的热通量显著提高,给电机控制器的热管理带来严峻挑战。现有车用Si IGB... 详细信息

高压大容量、高功率密度、高可靠,是车用电机控制器的持续追求目标。得益于Si C等宽禁带器件的快速发展,车用电机控制器越来越小型化、轻量化、集成化,芯片单位面积的热通量显著提高,给电机控制器的热管理带来严峻挑战。现有车用Si IGBT芯片的热通量通常为100～150W/cm2,预计5年内将提升到500W/cm2,Si C芯片的热通量甚至将超过1000W/cm2。车用电机控制器缺乏高热通量管理方法,难以匹配车用功率芯片的快速发展,已经成为制约进一步提升其的关键瓶颈。如何优化设计集成散热器,适应车用功率芯片的高热通量需求,还有待进一步的深入研究。车用功率模块的散热结构经历了水冷板到集成Pin-Fin的演化过程,但是各厂商散热结构不尽相同,缺乏优化设计方法。在Pin-Fin形貌结构方面,商业化Pin-Fin形貌结构主要有圆形、椭圆形等,在Pin-Fin排列布局上,商业模块的横间距、纵间距及针翅个数均不尽相同。不同公司商业化产品的热-流性能差异巨大,缺乏理论方法指导和关键技术支撑。因此,本文针对车用功率模块强化换热方法,提出了Pin-Fin散热器的形貌结构和排列布局设计方法,取得了创新型研究成果。此外,对标商业化水平流道结构,提出了流道结构设计方法和优化规律,并通过大量实验,验证了设计方法的有效性。首先,传统Pin-Fin设计方法无法定量表征Pin-Fin的形貌结构,难以实现Pin-Fin的热-流协同设计。本文基于变密度拓扑优化方法,提出了一种Pin-Fin形貌结构的设计方法,建立了Pin-Fin设计的变密度拓扑优化模型,分析了模型参数对优化结果和收敛性的影响规律,形成了以结-流热阻和冷却液压降为目标的协同优化方法,得到了最优的Pin-Fin散热器形貌结构,计及母线电压、负荷电流和冷却液流量的影响,采用实验结果验证了所提模型方法的可行性和有效性。实验结果表明:基于拓扑优化方法设计的Pin-Fin结构,可以降低12%的结-流热阻,消除80%的多芯片结温差异,降低52%的功率模块损伤。其次,商业化Pin-Fin排列布局不尽相同,关于排列布局对车用功率模块热阻和压降性能的影响规律并不明晰。针对横纵间距、半径占比及横纵阵列个数等的设计,提出设计域的数学表征方法,与传统参数设计相比大幅度提高了设计域范围。采用遗传算法,对功率模块中三相各区域设置不同的Pin-Fin排列布局,通过不断迭代收敛,实现了最优三相排列布局设计,通过大量固定工况和实际工况实验,验证了所提模型方法的可行性和有效性。实验结果表明:基于遗传算法设计的Pin-Fin结构,可以降低9.6%的结-流热阻,消除75%的多芯片结温差异,降低42%的功率模块损伤。最后,并联散热结构凭借其低热阻和低温度梯度的特点,减小了水平Pin-Fin冷却所引起的温度梯度的问题,在车用功率模块中也有较为广泛的应用。但是,商业扰流结构压降较大,且并不能自由设计流道结构,难以实现热-流协同设计。本文通过一系列仿真和实验,发现由水槽间隙产生的强化换热效果和压降的影响规律,基于拓扑优化方法,对设计域内离散网格进行密度插值,通过构建多目标优化函数,研究加权参数对优化结果的影响规律,并得到最优并联流道散热设计,并通过大量实验验证了所提方法的有效性。实验结果表明:基于拓扑优化方法设计的并联流道结构,可以降低9%的冷却液压降,芯片结温差异降低60%,芯片损伤度降低4.6%,验证了设计方法的有效性。

关键词：车用功率模块形貌结构排列布局流道结构拓扑优化多目标优化

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