IGBT的水冷试验研究作者——王业峰

1、高速列车牵引变流器中IGBT的水冷实验研究背景近几年，国家的铁路事业加速发展，取得了可喜的成果，特别在高速列车方面。为了更进一步达到发达国家轨道交通技术的水平，还有许多技术需进一步研究。由于电气牵引有着传统内燃机牵引或者蒸汽机牵引无可比拟的 优点一一功率大，速度快，能源利用率高，环境污染少等原因。现在, 无论内燃机车、电力机车、高速列车的牵引系统均采用电传动。目前 电传动有两种牵引传动方式：（1）交一直传动方式，在该传动方式中， 牵引变流器的主要功能是将交流电通过四象限整流器整流输出直流 电，通过调整直流电电压来控制每台直流电机， 属于电压型调速。（2） 交一直一交传动方式，在该传动方式中，牵

2、引变流器的主要功能是将 交流电经四象限整流器整流输出直流电， 直流电再经逆变器输出为电 压、频率均可调的交流电来控制每台交流电动机，属于变频型调速。 直流电机的特点是：有电流的换向问题，体积大、重量大、寿命短， 消耗的有色金属较多，设备复杂，造价高，运行中的维护检修也比较 麻烦，用直流电机调速的列车速度提升空间有限。 交流电机的特点是： 体积小、重量小、寿命长，结构简单，运行可靠，成本相对较低，维 护检修也简单。由于采用交流电机牵引的列车调速快、 且能达到较高 的速度。所以，高速列车牵引传动多采用交一直一交调速的方式。在交一直一交调速中，牵引变流器使用的主要电器元件是IGBT。IGBT是个高频

3、的开、关功率元器件，工作时要消耗电能，它把电能 转化为热能的形式。通常流过IGBT的电流较大，IGBT的开、关频 率也较高，故器件的能量损耗较大。若产生的热量不能及时散掉，IGBT内部的结温将会超过最大值125C, IGBT就可能损坏。有统计 资料表明，电子元器件温度每升高2C,可靠性下降10%；温升50C 时的寿命只有温升为25C时的1/6,因此，只有快速、及时的将产生 的热量散走，才能保持IGBT的正常运行。IGBT散热的种类有以下几种：风冷，热管，液体冷却。本研究 主要研究没相变的液体（水）冷却形式。IGBT水冷原理：水冷散热是一个密闭的液体循环装置，通过冷 却系统管路中的水乙二醇混合剂

4、循环流过功率电子元件的安装基板， 功率模块产生的热量被循环水带走，然后水泵将此混合剂抽入到空气 -水热交换器中，将热量散发到周围空气环境中，达到冷却的效果。 冷却系统结构图，如图1所示：图1高速列车牵引逆变器中IGBT水冷系统结构图1散热器 2风机 3电子元件 4冷却散热基板（内含介质及微槽道） 冷却散热基板内介质流动如图2所示。目的IGBT产生的热量能否及时、高效的散掉，表现在IGBT与冷板 接触表面的壁温tw的大小，并且是壁温tw越小越好，即IGBT的壁 温越低越好。由牛顿冷却公式我们知道,Q t =tf lwfhS其中，Q为IGBT的热流量为表面传热系数 为IGBT与冷却散热基板接触侧的

5、表面积为IGBT与冷却散热基板接触侧的壁温tf为冷却液体的温度热流量Q的减小可以引起tw的下降，但在IGBT功率不变的情况下，使得tw下降的空间十分有限。表面积S的增加可以引起tw的下降，但是由于实际物体重量、体积空间等的限制，以及高速列车白身需求的要求使得表面积的S增大很有限，使得tw下降的空间被极大的束缚。冷却液体的温度tf的降低可以引起tw的下降，但是冷却液体的温度tf的降低受地域，气候，以及外界气温变化的影响；受热交换器 和风机之间热量与空气的热交换的影响； 使得散热器的散热效果波动 较大，不利于有效的降低tw。表面传热系数h的提高可以引起tw的下降，并且不受其他条件 的限制，可以有效

6、的降低tw。所以，当表面传热系数h最大时，tw最小，也就是使得IGBT 的表面壁温最低，IGBT的工作更安全、更可靠！因此，如何获得冷却散热基板最大的表面传热系数h成为问题的关键，也是本研究的目的。实验原理：为了获得表面传热系数h ,需要测发热块（IGBT用发热块来代 替）与冷却散热基板接触侧的表面积 S,测出单位：m2 ;测发热 块的温度tw；测冷却液体的进口温度 tfin ,出口温度tfoUt ,利用 0=兰事，得到冷却液的温度f,单位：K ；发热块的加热采用 直流稳压电源通电的方式实现，用安培表、伏特表分别测得电路中的 电流I、电压U，利用公式p=ui , Q = P，得到加热功率Q,单位: W。最后，应用牛顿冷却公式：h = QS tw - tf计算可得表面传热系数h。为了获得最大的表面传热系数h,冷却液的流通通道我们采用微槽道，微槽道内部结构如图3所示：头验系统：实验系统如图4所示u- w <HX15*n图4:实验系统图¥皿叩融il电地 标AXT该系统主要包括1个恒温水箱，1个电动水泵，1套水净化装