[发明专利]一种用于大功率船舶岸电变流系统的高效热设计方法

摘要

本发明公开一种用于大功率船舶岸电变流系统的高效热设计方法。本发明首先依据IGBT模块参数表和损耗机理分析方法，估算出大功率船舶岸电变流系统损耗，并依据变流系统实际的工作环境估算出系统容许的温升值和待设计散热系统的热阻值，再结合变流系统实际尺寸限制要求建立待设计散热系统空间尺寸的优化模型，最后采用MATLAB软件中实数编码遗传算法工具箱进行优化求解，最终获得大功率船舶岸电变流系统中散热系统最佳尺寸值。采用本发明可实现满足实际工程运行要求的大功率船舶岸电变流系统的高效热设计效果，大功率船舶岸电变流系统热设计模型更为精准，散热系统工程设计参数更优，散热效率和可靠性等性能得以提升。

主权项

一种用于大功率船舶岸电变流系统的高效热设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)输入大功率船舶岸电变流系统所采用的IGBT模块制造厂商提供的IGBT模块参数表，计算在占空比与时间满足正弦关系下的大功率船舶岸电变流系统中各个IGBT模块中的IGBT器件和续流二极管的通态损耗，具体计算方法如公式(1)和(2)所示：PIGBTC=(12π+225)Vc0I0+(18+1675π)RcI02---(1)]]>PDc=(12π-225)Vf0I0+(18-1675π)RfI02---(2)]]>其中，PIGBTc表示IGBT器件的通态损耗，PDc表示续流二极管的通态损耗，I0表示流过IGBT器件的电流，Vc0表示IGBT器件输出电压在电流I0＝0时的开启电压，Rc表示IGBT器件的通态电阻，Vf0表示续流二极管输出电压在电流I0＝0时的开启电压，Rf表示续流二极管的通态电阻。(2)计算各个IGBT器件和续流二极管的开关损耗，具体计算方法(3)和(4)所示：PIGBTs=I0fsπ(PIGBTon+PIGBToff)---(3)]]>PDs=I0fsPDoffπ---(4)]]>其中，PIGBTs表示IGBT器件的开关损耗，PDs表示续流二极管的开关损耗，fs表示IGBT器件的开关频率，PIGBTon表示IGBT器件在额定状态下的单脉冲开通损耗，PIGBToff表示IGBT器件在额定状态下的单脉冲关断损耗，PDoff表示续流二极管在额定状态下的单脉冲关断损耗。(3)按照公式(5)计算大功率船舶岸电变流系统的总功耗PT：PT＝6*N*(PIGBTc+PIGBTs+PDc+PDs)                 (5)其中，N表示每相并联的IGBT模块数量。(4)查询IGBT模块参数表获得IGBT器件在稳定工作状态下所容许的温度上限值Twm和IGBT内部芯片到IGBT模块表面的热阻值Rt，并依据大功率船舶岸电变流系统容许的工作环境温度上限值Tem，可以计算出系统容许的温升上限值Tmr＝Tem‑Twm。(5)按照公式(6)计算待设计的散热系统对应的热阻Rdesign，并查询技术手册中热阻风压曲线确定采用强制风冷散热模式的风机风压值，依据公式(7)计算所需的风量值Qdesign，然后综合依据风压值和风量值这两个重要技术参数可以确定出风机的型号；Rdesign=TmrPT-Rt---(6)]]>Qdesign=λPTρcTmr×10-3---(7)]]>其中，λ表示工程估算比例系数，通常取1.6～2之间的实数，ρ表示空气密度，c表示空气的比热容。(6)依据大功率船舶岸电变流系统尺寸要求，确定大功率船舶岸电变流系统中待设计的散热子系统空间尺寸的上限值，包括散热子系统厚度的上限值dmax，散热子系统表面积的上限值Smax；(7)在步骤5和6的基础上，结合公式(8)确定大功率船舶岸电变流系统中待设计的采取强制风冷方式的散热子系统厚度ddesign和表面积Sdesign应满足的约束条件：Rdesign=α(10βddesign+650Sdesign)---(8)]]>其中，α表示散热系统所采用材料的热导率，β表示与散热系统表面和安装角度相关的修正因子，β的取值范围通常可以为0.01至0.05范围的实数。(8)按照公式(9)确定大功率船舶岸电变流系统中待设计的散热子系统空间尺寸的优化模型：minF(x)＝min{w1(ddesign)2+w2(Sdesign)2},x＝(ddesign,Sdesign)s.t.Rdesign=α(10βddesign+650Sdesign)---(9)]]>0<ddesign≤dmax0<Sdesign≤Smax其中，F(x)表示决策向量x对应的适应度函数，w1和w2表示权重系数。(9)采用MATLAB软件优化工具箱中的实数编码遗传算法对步骤(8)中的优化模型进行求解，获得大功率船舶岸电变流系统中待设计的散热子系统空间尺寸的最优值，包括最优的厚度值dopti和最优的表面积值Sopti。