高功率密度智能化集成功率器件及其并联应用研究

为突破传统功率半导体器件的封装和应用结构限制,实现变流装备的升级换代,文章提出了一种新型的高功率密度智能化集成功率器件。为验证该技术路线的可行性,以大功率变流领域内常见的并联应用场景作为研究对象,从器件参数、主电路、散热结构、驱动控制等4个主要影响因素着手,分析并验证了其良好的器件匹配性、电感均衡度、散热均温性、控制信号同步性、抗干扰能力,最后通过双脉冲试验和功率考核试验,证明了其良好的并联均流效果。试验结果表明,该技术平台从理论设计到实物验证的目标可以得到实现,具备了工程应用基础。

基于高效扰流技术的IGBT双面冷却散热器性能优化研究

基于数值仿真和试验研究方法,对用于轨道交通变流器的液冷散热器的性能进行了研究和优化设计,并将结果与HXD1C机车、HXD2B机车当前使用的散热器对比。结果表明,通过使用高效扰流技术和4组并联的流道结构,提升了散热器换热能力并降低了流阻,使散热器台面温升比HXD2B和HXD1C机车使用的散热器分别降低37%和14.1%,流阻分别降低36.9%和22.3%;通过使用对称的双面冷却结构,使IGBT安装面的均温性得到提升,并使其占用空间比单面平铺安装减少26%。

轨道交通车辆风冷散热器传热优化研究

翅片散热器的散热效率很大程度上受材料热导率限制,为进一步提高翅片散热器的散热能力,基于均温热管、相变抑制(PCI)、均温板(VC)以及3D相变等散热技术,从传热方式上对散热器的翅片侧和热源侧分别进行优化;对优化后的散热器样机分别进行测试,并与当前在用的翅片散热器进行对比。研究结果表明:对散热器热源侧和翅片侧的优化均有效提升了散热效率,降低了散热器温升,并提高了均温性,且对散热器热源侧的优化比对翅片侧的优化效果更好。结合翅片侧和热源侧的优化特点,对散热器整体进行优化所得的3D相变散热器性能最优,比传统翅片散热器的温升降低了约65%,温差降低了约55%。

基夫赛特炉余热锅炉水冷壁腐蚀机理研究

针对基夫赛特炉熔炼区余热锅炉上升段水冷壁频发的腐蚀漏水事故,对失效段水冷壁管道进行了外观形貌分析,并采用XRD、ICP-AES等方法对受热面附着物、水冷面水垢的元素和物相含量,以及循环水的离子浓度等进行检测与分析。结果表明,水冷壁受热面在高温、高SO_2气氛下受到碱金属硫酸盐(如K_2SO_4)和硫化物(如Fe S)的作用,形成硫酸盐型和硫化物型高温腐蚀,破坏了Fe_2O_3保护膜,使金属铁不断流失,管道变薄;循环水中的PO_4^(3-)浓度不稳定,有时远低于相关标准,不能及时分解CaSO_4,导致管道内壁结垢、传热效率降低,加剧管道受热面的高温腐蚀;同时循环水pH偏高导致管内发生碱性腐蚀和吸氧腐蚀,加剧管壁变薄。水冷壁两侧腐蚀与内侧结垢的综合作用导致水冷壁局部蚀穿漏水。

基于均温技术的走行风冷热管散热器性能优化研究

针对传统地铁走行风冷直管热管散热器在地铁低速运行时存在过热风险较高的现状,提出了一种可有效解决这一问题的新型热管散热器。基于均温技术,应用数值仿真和试验测试的研究方法,采用"L型"热管和均温管在原有直管热管散热器基础上进行优化,并在某地铁线上进行现场试验验证。试验结果表明,采用了"L型热管+均温管"的散热器成功解决了传统地铁走行风冷直管热管散热器在地铁低速运行时过热问题,可适应各种工况,在确保安全稳定运行的同时,减重增效非常显著。

VC技术在半导体热管理应用的性能研究

针对半导体行业常见的高集成化、高热流密度和非均匀热物理条件导致散热条件恶劣的热管理问题,基于VC均温技术,以某新能源项目用集成变流模块的散热器为研究对象,对非均匀热流密度分布的半导体器件进行热管理设计优化,并对其应用性能进行对比分析研究。应用数值仿真方法,用VC均温板对散热器定性优化,并通过试验验证进行全面对比分析。结果表明,应用VC均温技术可显著提升散热性能和均温性,在相同风速和功率工况下,有VC均温板相对无VC均温板的散热器温升降低12.7~13.8 K,散热性能最大提升约19%;单IGBT温度均匀性指数TUIIGBT降幅高达55.1%~74.5%;散热器台面温度均匀性指数TUIS降低了26%~35%。

IGBT模块与散热器接触界面气隙对散热的影响研究

IGBT模块与散热器接触界面使用导热硅脂来降低接触热阻,在轨道交通领域,由于运行环境的频繁振动和温度循环,使硅脂可能发生挥发、流失或干涸,从而在接触界面产生气隙,使传热条件恶化。文章通过数值仿真以及热性能试验2种方法,研究界面气隙对IGBT模块结温和壳温的影响。结果表明,在硅脂气隙产生的初期,气隙对IGBT结温的影响较小;随着气隙扩大,则会使结温明显升高,导致IGBT模块寿命降低,甚至使IGBT模块迅速损坏。

城轨变流器IGBT实时结温快速计算

开发了一种集成损耗计算和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)实时结温计算一体的实时结温快速算法,可实现城轨实际应用中的快速结温计算评估。以某城轨线运行车辆为研究对象,将全线路运行的电气数据作为输入,通过实时结温快速算法计算得到实时工况的损耗、散热器温升、IGBT芯片结温及二极管芯片结温曲线,并用有限元仿真与试验数据验证,在保证仿真可靠性的基础上,用仿真结果验证了程序计算的准确性,为轨道交通变流器模块热管理正向优化设计工作提供指导。

3D复合相变散热器在轨道交通中的热管理应用研究

针对轨道交通领域日趋恶劣的热管理条件,文章对一种散热效率更高效的3D复合相变散热器进行了研究。应用数值仿真和试验测试的研究方法,将3D复合相变散热器与相同体积的双面热管散热器和水冷散热器进行对比,结果表明:与双面热管散热器相比,3D复合相变散热器在相同风速和功率工况下,热阻降低7.8%~10.5%,压降降低57.5%~63.6%,均温效果提升约52%;对于相同风机的冷却系统,单个IGBT最大许用功率可增大670 W,增幅约26.8%;额定工况的热性能与水冷散热接近。

轨道交通水冷散热器的应用现状研究

对轨道交通应用的多种不同结构的水冷散热器进行了试验研究,对比不同类型流道对散热器流阻和散热性能的影响,得出了目前轨道交通常用的典型流道的散热特性。研究结果表明,散热器可通过减少流道长度,合理设置间距和齿槽排列等方法有效减少流阻;柱型流道和焊接翅片型流道可有效增加扰流,显著提高散热效果;焊接翅片型流道热阻和流阻相对较小和成本低,在高热流密度散热时更具优势。

非均匀热物理场强迫风冷传热优化设计研究

针对某大功率、高热流密度梯度、非均匀热物理条件的集成模块,基于均温技术进行传热优化设计研究,应用数值仿真和试验测试的研究方法,将初始无热管方案、倒装方式均温热管方案和正装方式均温热管方案进行对比。结果表明,在相同的风速工况下,倒装方式的均温热管方案相对初始无热管方案散热器温升减小10.3~11.0 K,最大降幅达18%,均温效果最大提升32.5%;相对于倒装方式的均温热管方案,正装方式均温热管方案在温升方面可进一步减小6.9~9.4 K,最大降幅达19.3%,均温效果进一步提升83.6%,传热效率非常显著。

磁浮列车牵引变流器双面冷却热管散热器的性能研究

针对传统热管散热器结构无法满足磁浮列车牵引变流器散热要求的现状,提出一种适用高热流密度的双面冷却热管散热器。通过应用数值仿真和试验测试的研究方法,将双面冷却热管散热器与体积相同的TM36型材散热器和CRH2高速动车组用热管散热器进行对比。结果表明,在相同风量和功率下,双面冷却热管散热器相对于体积相近的TM36型材散热器的散热效率提升32%,风阻降低35%,与CRH2高速动车组用热管散热器性能基本一致,但可节约成本和空间达50%以上。

基于SiC模块的地铁走行风冷系统设计

SiC器件凭借高开关频率和低损耗的性能优势,在新一代地铁变流器中日益受到重视,并逐步得到推广应用。针对基于SiC器件的地铁变流器模块,对其走行风冷散热系统进行设计,搭建了大风道试验平台模拟走行风冷,并通过对地铁车辆底部实物建模仿真,对比验证大风道试验的可行性和准确性,同时分析了车体布局对散热性能的影响,为地铁走行风冷散热系统的设计提供指导性建议。

面向轨道交通车辆水冷散热系统的多功能试验台开发

水冷散热器和板翅式换热器是水冷系统中的2个核心换热部件,其热性能测试属于常规的型式试验,通常水冷散热器和板翅式换热器是在2个独立的分属不同专业试验台进行性能测试。文章针对水冷散热器和板翅式换热器测试条件的异同特点,设计了可以兼容测试水冷散热器和板翅式换热器的多功能集成式测试平台,并且可以用于水冷系统的性能测试,有助于水冷系统参数的验证。经案例验证,其冷却液流量相对误差小于1%,温度相对误差小于2%,应用案例的温升和流阻测试结果相对误差小于5%。

轨道交通车辆3D复合相变散热技术可靠性研究

针对轨道交通车辆变流器使用的3D复合相变散热技术,基于车辆的外部环境和自身工作特性,对其可靠性进行了测试和验证。首先,结合GC-MS和ICE-MS等检测方法,验证相变工质的稳定性,同时也对散热器样机进行了性能测试;其次,对3D复合相变散热器的抗冲击振动、耐热、耐寒、耐腐蚀、抗爆等性能进行全面的测试和评估。结果表明,3D复合相变散热技术具有良好的稳定性和可靠性,满足在高原、高寒和沿海等自然环境和车辆自身频繁振动等工作环境中正常运行的要求。3D复合相变散热器在CRH380A型动车组上完成120×104km装车考核,并批量装车2000余台,目前已实现3年零故障运行,验证了3D复合相变散热技术的可靠性。