螺旋流道水冷IGBT散热器数值模拟及试验研究
内置交错螺旋扭带换热管传热特性数值模拟研究

内置交错螺旋扭带换热管传热特性数值模拟研究田瑞【摘要】通过数值模拟对内置交错螺旋扭带换热管的传热性能进行了计算与分析,研究结果表明:换热管的对流传热强度随着扭带偏心率的增加而提高.流动阻力损失随着扭带偏心率的增加,先增加后降低,在偏心率为0.2时,达到最大值.随着偏心率的增加,换热管的综合传热性能在Re=1000时,持续提高;在Re=10000时,先下降后提高.由此表明,在不同流动状态下,应选择不同的扭带偏心率来提高换热管综合传热性能.【期刊名称】《广州化工》【年(卷),期】2019(047)005【总页数】3页(P134-136)【关键词】数值模拟;强化传热;螺旋扭带;换热管【作者】田瑞【作者单位】宁夏理工学院机械工程学院, 宁夏石嘴山 753000【正文语种】中文【中图分类】TK172.4螺旋扭带作为一种旋流发生器,是常用的一种扰流元件,能够在管壳式换热器、太阳能热水器、化工反应过程中起到除盐防垢和强化传热的作用[1]。
学者李群松[2]、陈淑萍[3]、向寓华等[4]对螺旋扭带对换热管内壁的清洗作用进行了研究,发现利用螺旋扭带可以对换热管内壁结晶盐垢的产生起到抑制的效果。
学者钱红卫[5]、吴金星[6]、Date等[7]对内置螺旋扭带换热管的强化传热特性做了研究,发现螺旋扭带能够增加流体的流速、延长流体流程、增强流体的混和以及减薄温度边界层,进而实现提高对流传热强度的作用。
在前期学者们的研究过程中发现螺旋扭带虽然能够在强化传热的同时实现管内壁的清洗作用,但螺旋扭带的加入也使得换热管的流动阻力损失增加程度较大,摩擦系数会增加至空管的2.5~4倍[8]。
本文在前人研究的基础上提出了一种内置交错螺旋扭带换热管的模型,以期能够通过螺旋扭带的交错布置增加管内流体的混和程度,在阻力损失增加程度较小的情况下,进一步提高换热效率,实现换热管强化传热的综合优化。
1 传热特性分析1.1 物理模型建立及边界条件设定图1 换热管模型结构图Fig.1 Sketch of heat exchange tube内置交错螺旋扭带换热管物理模型如图1所示。
IGBT

IGBTIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),绝缘栅极型功率管,是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式电力电子器件。
应用于交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
IGBT是强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率MOSFET的自然进化。
由于实现一个较高的击穿电压BVDSS需要一个源漏通道,而这个通道却具有很高的电阻率,因而造成功率MOSFET具有RDS(on)数值高的特征,IGBT消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。
虽然最新一代功率MOSFET器件大幅度改进了RDS(on)特性,但是在高电平时,功率导通损耗仍然要比IGBT 技术高出很多。
较低的压降,转换成一个低VCE(sat)的能力,以及IGBT的结构,同一个标准双极器件相比,可支持更高电流密度,并简化IGBT驱动器的原理图。
导通IGBT硅片的结构与功率MOSFET 的结构十分相似,主要差异是IGBT增加了P+ 基片和一个N+ 缓冲层(NPT-非穿通-IGBT技术没有增加这个部分)。
如等效电路图所示(图1),其中一个MOSFET驱动两个双极器件。
基片的应用在管体的P+和N+ 区之间创建了一个J1结。
当正栅偏压使栅极下面反演P基区时,一个N沟道形成,同时出现一个电子流,并完全按照功率MOSFET的方式产生一股电流。
如果这个电子流产生的电压在0.7V范围内,那么,J1将处于正向偏压,一些空穴注入N-区内,并调整阴阳极之间的电阻率,这种方式降低了功率导通的总损耗,并启动了第二个电荷流。
最后的结果是,在半导体层次内临时出现两种不同的电流拓扑:一个电子流(MOSFET 电流);空穴电流(双极)。
关断当在栅极施加一个负偏压或栅压低于门限值时,沟道被禁止,没有空穴注入N-区内。
在任何情况下,如果MOSFET电流在开关阶段迅速下降,集电极电流则逐渐降低,这是因为换向开始后,在N层内还存在少数的载流子(少子)。
IGBT的动态特性及静态特性的研究

IGBT的动态特性与静态特性的研究IGBT动态参数IGBT模块动态参数是评估IGBT模块开关性能如开关频率、开关损耗、死区时刻、驱动功率等的重要依据,本文重点讨论以下动态参数:模块内部栅极电阻、外部栅极电阻、外部栅极电容、IGBT寄生电容参数、栅极充电电荷、IGBT开关时刻参数,结合IGBT模块静态参数可全面评估IGBT芯片的性能。
RGint:模块内部栅极电阻:为了实现模块内部芯片均流,模块内部集成有栅极电阻。
该电阻值应该被当做总的栅极电阻的一部份来计算IGBT驱动器的峰值电流能力。
RGext:外部栅极电阻:外部栅极电阻由用户设置,电阻值会阻碍IGBT的开关性能。
上图中开关测试条件中的栅极电阻为Rgext的最小推荐值。
用户可通过加装一个退耦合二极管设置不同的Rgon和Rgoff。
已知栅极电阻和驱动电压条件下,IGBT驱动理论峰值电流可由下式计算取得,其中栅极电阻值为内部及外部之和。
事实上,受限于驱动线路杂散电感及实际栅极驱动电路非理想开关特性,计算出的峰值电流无法达到。
若是驱动器的驱动能力不够,IGBT的开关性能将会受到严峻的阻碍。
最小的Rgon由开通di/dt限制,最小的Rgoff由关断dv/dt限制,栅极电阻过小容易致使震荡乃至造成IGBT及二极管的损坏。
Cge:外部栅极电容:高压IGBT一样推荐外置Cge以降低栅极导通速度,开通的di/dt及dv/dt被减小,有利于降低受di/dt阻碍的开通损耗。
IGBT寄生电容参数:IGBT寄生电容是其芯片的内部结构固有的特性,芯片结构及简单的原理图如以下图所示。
输入电容Cies及反馈电容Cres是衡量栅极驱动电路的全然要素,输出电容Coss限制开关转换进程的dv/dt,Coss造成的损耗一样能够被忽略。
其中:Cies = C GE + C GC:输入电容(输出短路)Coss = C GC + C EC:输出电容(输入短路)Cres = C GC:反馈电容(米勒电容)动态电容随着集电极与发射极电压的增加而减小,如以下图所示。
基于流-热-固耦合的水冷壁应力场数值模拟研究

收稿日期:2023-04-22基金项目:广西科技基地和人才专项基金(PD210209)作者简介:张进(1970-),男,天津人,高级工程师。
通讯作者:王许稳(1984-),男,河北保定人,副教授,博士,主要从事两相流动与传热等方面的研究。
基于流-热-固耦合的水冷壁应力场数值模拟研究张进1,赵旭1,王许稳2(1.华能集团辽宁分公司华能丹东电厂,辽宁东港118300;2.桂林电子科技大学机电工程学院,广西桂林541004)摘要:锅炉水冷壁向火侧内烟气与水冷壁管内饱和水之间的传热,使水冷壁管间、水冷壁管与鳍片间、水冷壁向火侧和背火侧间产生较大的热应力。
本文通过数值模拟获得垂直膜式水冷壁管屏在较高炉膛温度下的温度场和应力场分布,获悉了水冷壁管内压力及温度决定了水冷壁热应力的大小及分布,得知了水冷壁管与鳍片拉裂的原因是锅炉热负荷在短时间内的交替变化,其计算结果为水冷壁在发生热应力拉裂破坏条件下的改进及合理应对拉裂事故提供了方向。
关键词:水冷壁;热应力;数值模拟;流固耦合;水平烟道中图分类号:TK472文献标识码:A文章编号:1673-1603(2023)03-0024-05DOI :10.13888/ki.jsie (ns ).2023.03.005第19卷第3期2023年7月Vol.19No.3Jul.2023沈阳工程学院学报(自然科学版)Journal of Shenyang Institute of Engineering (Natural Science )为了与风力、光伏等新能源并网配合,火力发电在整个电网调频调峰中扮演着越来越重要的角色。
为了满足区域电网对电量的要求,大容量火力发电机组常常需要频繁且大范围地低负荷运行。
在大范围调峰过程中,锅炉的负荷可能大大偏离设计负荷,甚至低于设计负荷的20%。
如此大范围地调节负荷会使锅炉内烟气的温度场和流场发生剧烈的变化,导致炉膛水冷壁的温度产生交替波动[1-2]。
基于SolidWorks的电机控制器水冷散热器热分析

耗。
IGBT导通损耗的计算公式如下。
(1)设计要求,电机控制器所要求的峰值输考虑到电流要增加一点裕度,故设定I CP=500CE(sat)=1.5 V。
由于占空比不断在变化,取经验值=600 W。
(2)开关损耗。
开关损耗是指由IGBT在控制极收到控制信号时,对电路进行开关操作所产生的能量损耗。
由于每一次开关操作都会产生损耗,所以随着IGBT开关的频率提高,开关损耗会越来越大。
得到开关损耗最精确的方法是测量在开关过程中图1 IGBT导通电流与压降关系曲线=500 A,从上图可得:E (on)=42 mJ,E (off =15 kHz,P sw_I=1 755 W。
1.2 续流二极管导通损耗和开关损耗(1)导通损耗。
二极管的导通损耗与IGBT类似,计算公式如下。
F(sat)×I cp ×D F (4)为续流二极管压降,D F 为二极管占空比因子,极管导通损耗。
FF900R12IE4型号的续流二极管压降与电流关系如图3所示。
图2 IGBT开通和关断损耗与电流关系曲线图4 续流二极管反向恢复损耗与电流关系图3 续流二极管压降与电流关系曲线由图可得E rec =58 mJ。
故P sw_F=870 W。
1.3 IGBT控制单元总损耗IGBT控制单元的总损耗为IGBT芯片和续流二极管的导通损耗与开关损耗之和,故总损耗P t 可由下公式(6)求得。
+P sw_I+P sat_F +P sw_F (6)估算出的总损耗P t =3 365 W。
2 散热器的设计1 散热器材料的选择散热器材料的选择要从多方面来考虑,不仅要有良好的机械强度和加工工艺性,还应具有抗腐蚀性与优良的热传导性,更要考虑表2 平直肋片尺寸参考值散热功率与基板厚度之间的计算公式如下[4]。
t =7×log P 总-6 (7)其中t 为基板的厚度,单位为mm;P 总为IGBT控制单元的热损耗,单位为kW。
计算可得基板的厚度为18.6 mm,这里计算的基板厚度还包括了IGBT控制单元中PCB板与其焊层,以及铝基板的图5 平直肋片式意图图6 肋片的尺寸符号参数值T/mm 2~44~66~88~10≥10t/mm 1.0 1.5 2.0 2.0 2.5h/mm≥6≥8≥8≥10≥10图7 散热器模型图8 散热器流动示意图3 散热器热仿真分析本文选用SolidWorks中的Flow Simulation模块流体分析工具进图9 模型设置3.3 网格的划分在Flow Simulation中,网格的划分有2种形式,分别为自动的网格划分和手工的网格划分。
螺旋曲面三维肋强化传热的数值模拟研究

s o t a h v r g u s h n mb rNu a d t es i r t nc e in rs ia a p d s r c 一 b a e b t a g r h n h w t e a e a e n se u e n kn f ci o 髓ce t o p r w r e u f e 3 D r r oh l r e a h t h i o f l a i t
K e r s u r a i lt n;3 D r y wo d :n me c smu ai il o - d;h a r n fre h n e n ;i tr r tt n r e a i e t a se n a c me t ne eai a c t r t p ol i i
T n e w n Qn e f , a e g qag agH - e , igD -a Y n D n - i n n
( ol e fm ca i l n i en U w  ̄t o u hn , ega gH nn 20 1 hn ) C lg eh n a egn r g, n e i s t C ia H ny n u a 4 10 ,C ia e o c ei yf o h
Ab t a t s r c :Us g te c mp tt n lf i y a c o t a e f e t . o r s ac h e tt n f rc a a tr t so e t n i h o u ai a ud d n mi ss f r u n 3 t e e rh t e h a a se h r ce si f rc a — n o l w l 6 r i c a g lrf i h n e ih h st eo d n r - i r h p rlw r e u a e 3 D rb h e tt n fra d r ssa c r p ua u d c a n l l wh c a r i a y3 D r o e s i ap d s  ̄ c - i ,t eh a a se n e itn e p o — h b t a r e t s i a ay e h ri n t e e s y od u e h c r m o 0 t o 0 a d a ge o t c r e s n lz d t ee n i a e o Re n l s n mb rw i h f i h f o 2 o O 1 0 n l f t k日 i 4 。 h e u t 0 n aa s 5 .T e r s l s
IGBT模块热网络模型及电路仿真应用
IGBT模块热网络模型及电路仿真应用IGBT芯片在模块内工作时面临高压大电流环境,每个芯片因位置差异导致其温度各不相同,因此直接精准测量每个芯片的结温基本上是不可能的。
通常使用建立IGBT模块简化模型的方法,通过计算、仿真等方法得到IGBT模块内部芯片的等效结温,称为虚拟结温,用标志Tvj来表示。
广义上来说,谈到IGBT模块结温的时候,大部分情况下其实都是在说虚拟结温Tvj。
图1 IGBT模块内部结构IGBT模块的真实热传导路径应当是三维的,热量从芯片发出,通过横向(X,Y)和纵向(Z)路径传导。
由于模块内部结构复杂,所以模块内每一层材料上不同点的温度不一定相同,热传导形成的等温面可能是不规则的曲面(如图2)。
图2 IGBT模块内部传热路径和等温面半导体器件厂商为了量化半导体器件内部的虚拟结温Tvj,提出了一维分层热结构模型的方法。
该方法基于以下假设:(1)IGBT模块内部的传热路径简化为从内部芯片到外部基板的一维路线热结构模型(实际上其它路径的传热量的确远小于该路径);(2)热结构模型体现的是模块内部等温面的分布,而不是对IGBT 模块内部物理结构的简单等效。
一、用电路理论分析热模型1.Cauer热网络模型将物体内部按材料进行分层,每一层都有其对应的热阻、热容,这种基于物体内部不同材料的真实物理特性建立的热网络模型叫做Cauer网络模型。
Cauer热网络模型可以用电路模型来等效。
模块外部的导热材料和散热器模型也可以一并加入热网络模型。
热源(W)可以对应电流源(A),热阻(K/W)可以对应电阻(Ω),热容(J/K)可以对应电容(F),温度(K)可以对应电压(V)。
有了这样的对应关系,即可将热模型转化为电路模型。
如图3所示,即为Cauer热网络模型转化成电路模型的情况。
图3 Cauer热网络模型转为电路模型通过电路仿真软件,将模块工作时的损耗用数学模型表示成电流,输入等效电路模型,监测各层的电路节点电压,即可得到各层的仿真温度。
IGBT的低温特性及计算机仿真
第40卷第1期年月电力电子技术Vol.40,No.1,定稿日期:2005-06-23作者简介:张玉林(1981-),男,山西临汾人,研究生,研究方向为电力电子技术在低温环境下应用。
1引言电力电子器件在低温下的特性日益引起人们的关注,原因是低温电力电子技术和超导技术的结合有望处理更大的功率。
类似的应用有超导磁体储能、磁悬浮列车、超导变压器等。
另外,在外层空间运行的航天器必须在极低温度下工作,所以低温电力电子技术在航天领域也有广阔的应用前景[1]。
绝缘栅双极晶体管(IGBT)由于通流能力大,关断速度快,易于控制等特点而备受关注。
本文研究了NPT-IGBT在低温下的暂稳态特性,并且建立了IGBT低温特性计算机仿真模型。
在此过程中,对硅半导体中随温度变化的物理参数做了修正,使之与低温区运行相吻合。
当温度高于0℃时,掺杂完全电离,而在低温下则必须考虑杂质的不完全电离,同时还须考虑到载流子迁移率和复合寿命随温度的变化。
2NPT-IGBT物理结构及模型机理可将IGBT看作是基极电流由MOS栅压控制的双极晶体管,图1示出其物理结构。
从结构上可以看出,NPT-IGBT比垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET多一层p+注入区,因而形成了一个大面积的p+n-结。
这样,使得IGBT导通时由p+注入区向n-基区发射少子(空穴),从而对漂移区电导率进行调制,使得IGBT具有很强的通流能力,同时大大减小了IGBT导通时的通态电阻。
IGBT的通态压降可等效为沟道电阻压降VFMOS与p+集电极n-漂移区形成的二极管压降VFPIN之和[2]。
IGBT暂态特性中的一个重要参数是下降时间,它决定了关断过程中的功率损耗,并限制了器件最高工作频率。
当驱动电压需低于门槛电压时,MOSFET沟道电流消失,停止为PNP晶体管基极提供电流。
然而,由于过剩载流子在n-区的存储效应,需要通过复合来恢复其平衡状态,造成PNP晶体管电流下降缓慢,因此IGBT的集电极关断过程分为图2所示的两部分:与基极驱动电流相IGBT的低温特性及计算机仿真张玉林,胡高宏,丘明,齐智平(中国科学院电工研究所,北京100080)摘要:研究了非穿通型(Non-PunchThrough,NPT)IGBT在77~300K之间的暂稳态特性。
大功率模块水冷计算和仿真优化的研究
大功率模块水冷计算和仿真优化的研究
邓南辉;王鹤;王锋;肖旭
【期刊名称】《现代制造技术与装备》
【年(卷),期】2022(58)9
【摘要】在大功率变流器中,大功率模块由于功率密度过大常安装水冷板进行散热。
但是,它所需的水流量通过估算方式无法精确计算功率模块的工作结温,导致水流量
余量过大或者过小。
多个功率模块工况下,往往无法确定功率模块间的散热安全距离,导致变流器结构过大。
为了解决多模块最小安全距离和最小水流量精确计算问题,通过3 300 V、600 A三电平拓扑结构计算模块热损,并通过比较来估算和仿真
水流量论证估算是否可行及其所具有的裕量。
仿真结果表明,通过计算可以优化模
块间的最小间距,减小三电平变流器设备的尺寸,降低成本,为判断水冷功率模块提供散热所需水流量和功率模块间的最小安装距离是否满足要求提供参考。
【总页数】5页(P65-69)
【作者】邓南辉;王鹤;王锋;肖旭
【作者单位】中机国际工程设计研究院有限责任公司旋转动力测控技术研究中心【正文语种】中文
【中图分类】TM4
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1.大功率LED多芯片模块水冷散热设计
2.大功率IGBT散热器水冷热阻计算
3.IGBT大功率模块水冷散热系统的设计
4.ELB413电力测量端子模块专为大功率
发电机优化设计的电力测量端子模块5.NI LabVIEW仿真模块新增优化和分析功能NI LabVIEW仿真模块2.0版极大地提高了性能和可用性
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螺旋扭曲椭圆管换热器壳程数值模拟
拟方 法研 究 了不 同结构 的螺旋 扭 曲椭 圆管 换 热器 壳 程 的传 热 与流 阻性 能 ,并和 采用 椭 圆管作 为换 热 部件 的换 热器 进 行 了比较 ,获得 了螺 旋扭 曲椭 圆 管换 热 器壳 程 传 热及 流 阻特 性 与 壳程 的雷 诺 数和 螺 旋扭 曲椭 圆管 的几 何尺 寸 的关 系 , 螺 旋扭 曲椭 圆管 换 热器 的设 计和 研 发提 供 为
化 了传热 ,同时也 不 易结 垢 。
从 2 0世 纪 8 0年 代起 ,俄 罗斯 的一些 学者 就 开展 了对 螺旋扁 管 换热器 传热 传质 性 能及流 动 阻力等 的研 究 【 。近 年来 国 内也 开始 了一系 列侧 重于 螺旋 椭 圆管换 热器 的传 热性 能和 机理 l J 的研 究 , 管 外壳 程方 面 的文献 报道 并 不 多 。 杏祥 等 _ 壳程 换热 器 高雷诺 数 段进行 了模拟 , 但 张 4 ] 对 而本 文研 究 了壳程 换 热器低 雷 诺数 段 的换热特 性 及压 降特 性 , 着重 研 究 了不 同几 何尺 寸对 换热
扭 曲椭 圆管换 热器的设计研 发提供 了参考 。
关 键 词 : 螺 旋 扭 曲椭 圆管 :强化 换 热 :数 值 模 拟
中图分类号 : T 6 75 B 5.
Байду номын сангаас
文献标识码: A
螺 旋扭 曲椭 圆管 换热 器 是 以传 统 的管 壳式 换 热器 为基础 ,采用 螺 旋扭 曲椭 圆管 为换 热元 件 ,扭 曲椭 圆管靠 在 一起 ,可 以相 互支 撑 ,不 需加装 折流 板 。流体 在其 管 外壳 程运动 时 ,受 到 离 心力 的作 用而 周期 性地 改变 流动 的速 度和 方 向,增 强 了流体 的径 向混 合 ,破坏 了边 界层 ,强
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螺旋流道水冷IGBT散热器数值模拟及试验研究
作者:张新鹏, 张广泰, 张辉亮, 赵盛国, ZHANG Xin-peng, ZHANG Guang-tai, ZHANG Hui-liang,ZHAO Sheng-guo
作者单位:常州博瑞电力自动化设备有限公司,江苏常州,213025
刊名:
电力电子技术
英文刊名:Power Electronics
年,卷(期):2014,48(2)
1.葛维春;顾洪群;贺之渊大连跨海柔性直流输电科技示范工程综述 2012(02)
2.揭贵生;孙驰;汪光森大容量电力电子装置中板式水冷散热器的优化设计 2010(02)
3.贺荣;龚曙光;李纯基于Fluent的水冷板式散热器数值模拟与试验研究 2010(02)
4.Sun Haigang;Zhou Yong Structure Design for Heat Sink Based on Thermal Analysis 2011
5.郝晓红;胡争光;候琼基于多目标遗传算法的串联通道水冷散热器优化设计 2013(10)
6.罗冰洋;黄丽婷;莫易敏大功率IGBT散热器水冷热阻计算 2013(02)
7.刘衍平;高新霞大功率电子器件散热系统的数值模拟 2007(02)
8.支淼川电力电子设备水冷散热器的数值模拟 2013
1.黄继雄.李清清.范耀登.尹敏.余本钢单相电源箱逆变单元散热系统的研究[期刊论文]-武汉理工大学学报(信息与管理工程版)2015(2)
引用本文格式:张新鹏.张广泰.张辉亮.赵盛国.ZHANG Xin-peng.ZHANG Guang-tai.ZHANG Hui-liang.ZHAO Sheng-guo螺旋流道水冷IGBT散热器数值模拟及试验研究[期刊论文]-电力电子技术 2014(2)。