مطالعه عددي بهبود عملكرد انتقال حرارت براي يك اينورتر قدرت سه فاز

A numerical study on efficiency improvement of heat transfer for a 3-phase inverter

در اين مقاله، شبيه‌سازي سه‌بعدي انتقال حرارت براي يك نمونه تجهيز الكترونيك قدرت و سيستم خنك‌ساز آن پياده‌سازي مي‌شود. تجهيز يك اينورتر سه‌فاز توان بالا ساخت شركت سِميكرُن است كه كاربرد اصلي آن در وسايل نقليه برقي و هيبريدي است. سيستم خنك‌ساز يك گرمابر داراي پره مستقيم مستطيلي با مقطع عرضي يكنواخت است كه از طريق همرفت خنك مي‌شود. عامل محدود‌كننده طراحي سيستم انتقال حرارت، بالا بودن دماي بيشينه تراشه‌ها و به عبارتي منابع حرارتي موجود در اينورتر با نام اختصاري IGBT است. دماي IGBT‌ها براي جلوگيري از شكست حرارتي و مكانيكي تجهيز بايستي زير ?C 125 باشد. يكي از اهداف اصلي، كاهش دماي بيشينه با طراحي دقيق چيدمان تراشه‌ها است. طراحي ابعاد هندسي گرمابر، با توجه به محدويت حرارتي تراشه‌ها و مصالحه بين حجم مواد مصرفي و بازده گرمابر انجام مي‌شود. پارامترهاي هندسي مورد بررسي تعداد، ارتفاع و ضخامت پره‌ها و نيز ضخامت پايه گرمابر است. تلفات توان منابع حرارتي با شبيه‌سازي در نرم‌افزار متلب و اطلاعات فني ارايه شده از طرف شركت سازنده به دقت محاسبه مي‌شود. مدل حرارتي اينوتر و سيستم خنك‌ساز آن توسط روش اجزا محدود پياده‌سازي مي‌شود. صحت مدل‌سازي حرارتي و توان اتلافي محاسبه شده، توسط نرم‌افزار سِميسِل تاييد مي‌شوند. طراحي دقيق چيدمان‌ سبب كاهش چشمگير دماي بيشينه تراشه‌ها به مقدار ‌?C 20 مي‌شود. بازده گرمابر با طراحي مناسب براي ضرايب انتقال حرارت W/m2.K 50، W/m2.K 75 و W/m2.K 100 به‌ترتيب با افزايش حجم 52/22%، 51/13% و 0%، به مقدار 35/10%، 67/16% و 51/27% نسبت به گرمابر اوليه افزايش يافته است.

In this paper, 3-D simulation of heat transfer in a power electronic device and its cooling system is performed. The device is a high voltage three-phase inverter manufactured by Semikron Company; its main application is in electric and hybrid vehicles. Cooling system is a forced-air plate-fin heat sink. A limitation factor of designing heat transfer is maximum temperature of the inverter’s chips, heat sources, called IGBT. Maximum temperature of IGBTs should be below 125?C in order to avoid both the thermal and the mechanical failures. One of the primary objectives is the reduction of the maximum temperature by designing the layout of chips. Also, the heatsink geometry design is accomplished by taking intoconsideration the maximum temperature and tradeoff between both the usage material volume and the heatsink efficiency. Geometries are the number of fins, the fin height, fin thickness and the base thickness of the heatsink. The power dissipation is estimated using datasheet information and output waveforms obtained from simulation in MATLAB. A thermal model of the inverter and its cooling system are simulated by using finite-element method (FEM). The accuracy of the thermal model and power dissipation estimation are verified by Semisel software. The maximum temperature is significantly reduced about 20?C by designing the layout precisely. Also, the heatsink efficiency is increased 10.35%, 16.67% and 27.51% with the increase of the material volume about 22.52%, 13.51% and 0% for the heat transfer coefficient, 50, 75 and 100 (W/m2.K) by good design of the heatsink geometry, respectively.