高速列车牵引变流器中IGBT的相变冷却实验研究

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现阶段，列车高速化成为铁路行业的主流，大功率电力牵引系统成为高速列车的原动力，其中以交流传动作为牵引传动方式的高速列车占据重要地位。

在交流牵引传动系统中，牵引变流器发挥重要作用，牵引变流器中的核心部件 IGBT在列车运行过程中不断地进行开关切换，在开启和关断的瞬间会产生大量的热，这些热量若不及时散发出去，功率元件 IGBT会产生严重热疲劳，甚至可能由于过热而烧坏，这样不仅影响到牵引变流器的正常工作，更危及整个列车运行的安全稳定性，因此，怎样使牵引变流器中功率元件 IGBT的工作热量更有效、更及时地散发出来成为关键问题所在。

近年来，随着电子元器件的冷却技术迅速发展，相变冷却在机车变流器中已得到应用，它的实现方式主要有热管冷却系统和浸泡式冷却系统 J，两者的绝缘程度都很低，主要用于待冷却的点不是很多，热流密度高的诚，后者的维护操作不便。端震2 等人以无水乙醇为工质，对垂直带有微槽群的紫铜基板表面的相变换热的特征进行了实验研究，实验结果表明带微槽表面紫铜基板的换热强度高于光滑表面的池沸腾换热强度，未考虑冷凝器的换热强度对沸腾换热的影响。P.G.ANJANKAR 等人对在不同工质流量、加热功率和热管长度下的热管传热性能进行了研究，得出了最优传热方案，未研究蒸发段的微槽结构可提高热流密度。本实验从相变冷却原理出发设 ，借鉴槽道的换热优势和热管的高导热能力设计了整套冷却装置，并对其性能进行了实验研究和分析。

2 试验台设计2.1 试验系统组成实验台由四部分组成，分别为主体试件、制冷剂供给系统、风冷系统及数据测量系统，如图1所示。

相变冷却实验基于热平衡原理，是-个实现稳定工况的闭式循环系统。热源提供工质所需的热量，冷收稿日期：2013-05-20作者简介：宁 珍(1985-)，女，江西九江人，在读硕士，主要从事强化传热方面的研究。

· 13·· 机械研究与应用 ·2013年第3期(第26卷，总第125期) 研究与分析t。

冷板最高温度 t ， ，冷板最高温度控制在90℃以下；顶腔内温度 t ；腔内真空度 P ；风道试验段进出口压差；风道出口动压 Pd，静压 P 。

4 实验数据处理本实验中，调节直流稳压电源的电压 与电流，，利用公式PUI得到加热功率。根据所标定热电偶的线性关系式 Ycxd计算得到冷板下表面温度和顶腔温度，其中，Y表示热电偶所测点温度，cI；c表示斜率； 表示数据采集器显示的电动势， V；d表示截距。用数据采集器采集到电阻网的电阻 R。 ，风道出口风温t的计算式为R。 R。[1 (t-t。)]，R。为电阻网在环境温度下的初始电阻，to为环境温度。

AP。 - u (1)厶 式中：△P叭n为风道出口动压；p为空气密度；u为气流速度。

沸腾池内的沸腾换热系数计算公式为：h qi./(tw2-t )qi./At (2)式中：h 为沸腾换热系数，w/(m .K)；t 为饱和温度，℃； 为冷板上表面温度，℃；At为冷板上表面过热度。

冷板上表面温度 t ：的计算公式为：At t 1-t 2：qin8。。

(3)式中： 为冷板上下表面温差，oC；t 为冷板下表面温度，oC； 为冷板厚度，m；A。

式中：D为试验段风管当量直径，m；△P为风道进出口压差；p为空气密度；u为气流速度。

雷诺数的计算关系式为：Re：-uD (5)式中：D为试验段风管当量直径 ，m； 为空气运动粘度，In /s。

系统总传热系数 K的计算公式为：去 (6)式中： 为热流量，W；A为冷板沸腾换热面积，m ；t 。 为冷板平均温度； 。为环境温度。

5 实验结果和分析实验的最终目的是通过放置在风道中的圆管散热器将冷板的温度带走，所以关注圆管散热器在风冷作用下冷板的最大温度尤其重要。从图4中可以看出随着风速增大，风道空气进出口温差逐渐变小，并且最小温差为8 cC，从图5和6中可以看出，在同-功率下，冷板温度随风速增大而降低，降低趋势随风速增加而减缓，说明对于该冷却装置，提高风速可以增强冷却效果，但是风速大于 8 m/s时，增强效果不佳；冷板上表面最高温度小于60℃，低于实验的预设最高控制温度，并且冷板温度随功率加大而升高。

图4 不同功率下空气进出口温差随风速率化情况图5 冷板最高温度twl，max随 图6 冷板平均温度t h风速 变化情况 随风速 变化情况如图7所示，随着雷诺数增大，各加热功率下的阻力系数随之减小，但功率大小对阻力系数的影响不大。如图8所示，系统总传热系数 K随雷诺数的增大而增大，这是由于雷诺数的增大，流体扰动变得剧烈，流体对边界层的破坏程度增强，同时也增强了冷凝器的换热能力，使得腔内饱和压力随之变小，如图9所示腔内乙醇蒸汽温度也随之降低 ，从而加大了冷板上表面过热度，强化了沸腾传热过程。

图7 试验段阻力系数，与雷 图8 总传热系数K与雷诺数 的关系 诺数 的关系(下转第 19页)· 15 ·