为了提高大功率高功率密度电力电子装置热设计的准确性和设计效率，浙江大学电气工程学院的研究人员林弘毅、伍梁 等，在2021年第16期《电工技术学报》上撰文，综合热传导、对流换热与流体力学理论，针对电力电子装置的典型强迫风冷散热系统，提出基于截面积二次方根为无量纲特征长度的综合热模型，并提出一种强迫风冷散热系统体积最优的优化设计方法。
研究结果表明，本综合热模型相对于传统热模型精度提升62%，证明了综合热模型的准确性。基于所提出的优化方法设计的散热系统体积4.03L，对比传统方法设计的体积5.7L，体积缩小30%，从而证明了本方法的可行性。
电力电子器件在工作中会产生损耗，这些损耗会转化为热量。若热设计不合理，电力电子器件的结温过高，将导致电力电子器件的失效率增大，较高的过温还会造成器件烧毁，直接影响电力电子装置的寿命和可靠性。随着大功率电力电子装置向高功率密度发展，电力电子器件的散热问题越来越突出，进而影响了电力电子装置的可靠性和稳定性，成为电力电子装置功率密度进一步提高的瓶颈。
随着宽禁带器件的发展，电力电子装置的开关频率得以提升，无源器件的体积显著减小。对基于宽禁带器件的强迫风冷电力电子装置而言，散热系统（包括散热器和风扇）占装置总体积的25%以上。因此，散热系统体积优化对提高电力电子装置的功率密度起着关键作用。
目前，电力电子装置的热设计主要依赖工程实践经验。有些学者基于实践经验提出了一些经验公式，但经验公式通常误差较大，且不具有普遍适用性。
在电力电子装置设计之初，散热设计应该和电路设计、结构设计同步规划开展。散热系统设计流程如图1所示。值得注意的是，热设计包括理论计算、热仿真验证、模拟实验验证等流程，耗时较长。因此，在热设计完成之前，可以先利用传统经验公式对散热进行概要设计，初步验证设计方案的可行性，并指导结构设计和功率PCB布局。在热设计的过程中，电路测试可以同步进行，以提升设计效率。
图1 系统设计流程
电力电子装置热设计对高功率密度大功率电力电子装置的可靠性起着重要作用。为了提高热设计的准确性和设计效率，浙江大学电气工程学院的研究人员综合传热学与流体力学理论，提出了一种基于截面积二次方根为无量纲特征长度的综合热模型。同时，提出了一种针对典型强迫风冷散热系统的体积最优的优化方法，该优化方法亦可推广到质量最优、损耗最优等优化设计当中。
图2 散热系统测试平台
研究人员以380V/50kvar高功率密度SVG为例，利用本方法设计的散热系统，较传统概要方法体积可缩小30%。另外，相较于传统热模型平均热阻误差，本研究提出的综合热模型准确性有较大的提升。
本文编自2021年第16期《电工技术学报》，论文标题为“高功率密度SiC静止无功补偿器强迫风冷散热综合建模及优化设计方法”，作者为林弘毅、伍梁 等。
