蒸發冷卻技術在高頻大功率變壓器中的應用研究

虞曉陽，汪 濤，駱仁松，阮 琳，熊 斌

（1.南京南瑞繼保工程技術有限公司，江蘇 南京 211102；2.中國科學院電工研究所，北京 100190）

0 引言

社會經濟的飛速發展對電力電子設備能耗需求不斷提升，土地資源日益緊張和昂貴，電力電子設備的效率、功率密度要求也不斷提高，特別是在一些城市區域的智能配電網、電動汽車充電站、海上新能源送電平臺、孤島供電平臺等應用場合［1-3］。隨著設備容量的提升，無源器件體積重量大幅增加，提高開關頻率可以有效降低無源器件（特別是磁性元件）的體積。但是，在高壓隔離場景下，例如電力電子變壓器產品，隔離變壓器耐壓通常達到10 kVac 甚至更高，在較小尺寸中實現變壓器的高壓隔離，需要采用澆注樹脂等方式，變壓器繞組和磁芯因澆注樹脂包裹，損耗產生的熱量無法快速傳導至表面，變壓器的散熱問題成為制約電力電子設備功率密度提升的關鍵問題［4-7］。

蒸發冷卻散熱系統結構設計簡單，不需要循環泵等冷卻設備，散熱效率高，溫度分布均勻，運行和維護成本較低［8-9］。目前，蒸發冷卻技術在變頻器等功率模塊［10-11］，特別是高速列車牽引變流器功率器件［12］和變壓器［13］、直流換流閥單元模塊［14］、環網控制裝置［15］、開關電源［16］等行業領域得到深入研究和廣泛應用。因此，蒸發冷卻技術為解決高頻大功率變壓器散熱問題、提升功率密度提供了解決思路［17-20］。

電力電子變壓器在電力系統中應用越來越廣泛［21］，本文以電力電子變壓器產品為研究對象，以高功率密度為研究目標，應用蒸發冷卻技術，設計U型蒸發器以解決電力電子設備的高頻大功率變壓器散熱問題。

1 電力電子變壓器系統設計

電力電子變壓器產品常用雙有源橋（Dual Active Bridge，DAB）電路拓撲［22-23］，該拓撲主要由高壓側逆變電路、移相電感、變壓器、低壓側逆變電路組成，如圖1所示。

圖1 雙有源橋電路拓撲Fig.1 Dual active bridge circuit topology

本文設計了1臺DAB模組，其參數如表1所示，其變壓器功率密度要求達到10 kW/L。

本文設計的變壓器采用芯式結構，繞組采用同心結構，如圖2所示。芯式變壓器被繞組包裹，磁芯散熱條件差，繞組暴露在磁芯外圍，電磁干擾及漏電感較大，但是芯式結構更有利于繞組的散熱。為了提高繞組與磁芯以及繞組間的絕緣水平，繞組采用樹脂澆筑，采用同心繞組結構，有利于增大繞組間的耦合程度，減少漏磁。

圖2 高頻大功率變壓器結構Fig.2 Structure of high-frequency high-power transformer

根據變壓器結構，結合應用需求，建立變壓器仿真模型，設計變壓器仿真模型剖面圖如圖3所示，圖3（a）為變壓器正面剖視圖，圖3（b）為變壓器俯視剖視圖。

圖3 變壓器剖面示意圖Fig.3 Schematic diagram of transformer profile

變壓器的熱功率和材料性質如表2所示。

表2 變壓器材料導熱率及熱功率Table 2 Thermal conductivity and thermal power of transformer materials

在此環境及熱功率條件下，自然冷卻仿真得到變壓器磁芯溫升高達到135 ℃，變壓器繞組溫升也超過120 K。繞組溫升很高，會造成樹脂絕緣加速老化；磁芯由于繞組的包裹，溫升更高，可能出現高溫消磁，造成變壓器功能失效，威脅設備安全運行［24-28］。

2 蒸發冷卻系統設計

為了解決高頻大功率變壓器的散熱問題，本文根據變壓器磁芯形狀，設計了U型蒸發器為換熱元件，并設計了常溫自循環蒸發冷卻來實現變壓器的散熱，系統示意圖如圖4所示。其中，U型蒸發器的板材為鋁，導熱率為200 W/（m·K），內部流道的截面尺寸為17 mm×3 mm，循環工質為FC-72 氟化液，冷凝器樣機按照系統級設計，總體尺寸為550 mm×370 mm×60 mm，標稱換熱面積3.23 m2，散熱功率遠遠大于單個變壓器熱功耗（330 W）。

圖4 蒸發冷卻系統Fig.4 Evaporative cooling system

根據設計方案建立變壓器-換熱器系統裝置的幾何模型，由于U型蒸發器的尺寸較小，因此在計算變壓器系統整體溫升時，對U 型蒸發器作簡化處理。計算區域共兩部分，分別為除去U 型蒸發器外的整體變壓器系統（如圖2所示），以及U型蒸發器流道模型（如圖5所示）。為了方便分析，在Z-X與Y-X方向等間距截3個面。

圖5 U型蒸發器計算區域Fig.5 Calculation area of U-type evaporator

研究思路為：首先，計算整體變壓器系統的傳熱過程，即利用給定的熱源功率與邊界條件計算出U 型換熱器所帶走的全部熱量Q；其次，將Q作為U型蒸發器的計算熱流邊界，進行U型管內部的相變與傳熱模擬。

在進行數值模擬時，其邊界條件主要包括：進口邊界條件、出口邊界條件、內部流體邊界條件、壁面邊界等［28］。各邊界及初始條件如下：

1） 變壓器系統計算區域邊界條件

對于整個變壓器系統的外表面采用自然對流換熱邊界，換熱系數為15 W/（m2·K），環境溫度為25 ℃；

在整個系統中磁芯的發熱功率為8×104W/m3，繞組的發熱總功率為4.5×104W/m3；

由于實驗中U型蒸發段的平穩溫度為52 ℃，因此U型蒸發器與繞組和磁芯的接觸面設置為固定溫度邊界，T=325.15 K。

2） U型蒸發器流道模型邊界條件

① 進口邊界采用Pressure-inlet，位于U 型蒸發器進口處，壓力值默認為1 000 Pa，并假設入口壓力均勻分布；

② 出口采用充分發展的自由流動邊界Pressureoutlet，壓力默認為0 Pa；

③ U型蒸發器的進出口管道外壁設置為自然對流邊界，換熱系數為15 W/（m2·K），環境溫度為25 ℃；

④ U 型蒸發器的內外壁面均設置為熱流邊界，熱流量Q（W/m2）由整體傳熱模擬中的總發熱功率減去對流換熱所帶走的熱量除以蒸發器面積所得到的。

模擬時假設氣流為熱態且不可壓，所采用的計算模型為流體力學中RNGk-ε雙方程模型，湍流動能方程k如式（1）所示，湍流耗散率方程ε如式（2）所示：

式（1）、式（2）中，ρ表示流體密度，t表示時間，xi、xj分別是x方向的位置，ui為xi方向的速度；C1ε、C2ε、C3ε是常量，αk和αε是k方程和ε方程的湍流反作用普朗特數，Sk和Sε是用戶定義數據；Gk表示平均速度梯度產生的湍流動能，Gb表示由浮力產生的湍流動能，YM表示壓縮湍流中由于流體膨脹產生的湍流動能；k、ε值根據進口速度及進口尺寸和氣體特性計算得到。

3 蒸發冷卻換熱仿真

3.1 高頻大功率變壓器換熱仿真

對整體系統的流場進行模擬并分析比較，在25 ℃環境溫度下，圖6為整體溫度分布，可以看出變壓器表面的整體溫度分布范圍為37 ℃～97 ℃，主要高溫區域集中于熱源體內部。

圖6 變壓器系統溫度分布Fig.6 Temperature distribution of transformer system

圖7（a）、圖7（b）、圖7（c）分別是系統Z-X 方向上、中、下3 部分截面溫度分布圖，截面溫度分布呈中間對稱形式，截面最大溫度約為97 ℃，最小溫度值約為39 ℃。外圍的環氧樹脂溫度最低，從外圍環氧樹脂通過繞組，向中間磁芯，溫度慢慢升高，中間磁芯的溫度最高。就繞組而言，外側繞組溫度較低，約為47 ℃，內側繞組較高約為92 ℃，對于溫度較高的磁芯而言，溫度從上而下逐漸降低；對于溫度較低的環氧樹脂而言，中間位置處溫度較高，上下部分位置處溫度較低。

圖7 系統Z-X方向三個截面溫度分布Fig.7 Temperature distribution of three sections in the Z-X direction of the system

圖8（a）、圖8（b）、圖8（c）分別是系統X-Y方向前、中、后三部分截面溫度分布圖，截面溫度分布呈左右對稱形式，截面最大溫度約為97 ℃，最小溫度值約為37 ℃，系統X-Y 方向中間位置處溫度較高，前后部分位置處溫度略低，中間截面的磁芯溫度最高，平均溫度約為92 ℃，U型蒸發器未覆蓋的下部區域磁芯底部溫度最高，磁芯頂部次之，中間被U型蒸發器覆蓋的部分溫度最低。就繞組而言，磁芯窗口內部繞組溫度較高，越接近磁芯溫度越高；磁芯窗口外部繞組溫度較低，越遠離磁芯溫度越低，外圍的環氧樹脂溫度最低，約為37 ℃。

圖8 系統X-Y方向3個位置截面溫度分布Fig.8 Temperature distribution of three sections in the X-Y direction of the system

整個計算區域內的自然對流換熱量，如式（3）所示。

式（3）中，h為自然對流換熱系數，計算中取值為15 W/（m2·K），A1為整個表面與空氣側的接觸面積，本計算工況中為0.31 m2。T1為變壓器表面的平均溫度，T2為空氣溫度，即25 ℃。由于變壓器表面的溫度分布有差異性，因此取平均溫度44.5 ℃作為標準值。所以Q1計算為

從而可以得到U 型蒸發器所帶走的熱量Q0=Q2-Q1，這里Q2為體熱源發熱量，為340 W，因此Q0計算為250 W。

3.2 U型蒸發器溫度分布

在上一部分里已經求得U 型蒸發器所帶走熱量Q0=250 W，蒸發器上下壁面的加熱熱流密度為Q0/A2，其中A2為蒸發器面積，即0.016 6 m2，因此，計算出的蒸發器邊界熱流密度為15 060 W/m2。從圖9 中看出，U型蒸發器回液管、集氣管的進口部分的溫度最低，約為58 ℃，而流道邊界處出現了局部高溫點，最高處溫度達到119 ℃。但總體而言，整個蒸發器內部溫度分布較為平均，維持在91 ℃左右，體現出了蒸發冷卻中相變過程所導致的均溫性。

圖9 U型蒸發器溫度分布Fig.9 Temperature distribution of U-type evaporator

4 變壓器蒸發冷卻實驗驗證

本文搭建了1 臺雙有源橋電力電子變壓器樣機，高頻大功率變壓器容量為170 kVA，采用U 型蒸發器冷卻散熱，體積約16 L，功率密度超過10 kW/L，樣機照片如圖10所示，磁芯和繞組內部布置測溫熱電偶。

圖10 裝有U型蒸發器的高頻大功率變壓器Fig.10 High-frequency high-power transformer with U-type evaporator

在環溫25 ℃，當變壓器170 kVA 滿載運行時，如圖11和表3所示，熱成像儀指示最高溫度出現在變壓器磁芯側面無蒸發器覆蓋的區域，最高溫度96.4 ℃，溫升71.4 K；熱電偶測溫磁芯內部測點溫升69 K；實驗數據與仿真磁芯溫升數據72 K 相接近。熱電偶測溫繞組內部測點溫升59 K，可能由于預埋測點位置偏差，與仿真繞組最高溫升數據67 K略有差異。

表3 變壓器熱仿真及實驗驗證溫升對比Table 3 Transformer thermal simulation and temperature rise comparison of experimental verification

圖11 變壓器功率運行溫度分布Fig.11 Temperature distribution of transformer power operation

綜合仿真和實驗數據考慮，應用U 型蒸發器的高頻大功率變壓器達到了10 kW/L 功率密度設計要求，溫升水平滿足應用要求，驗證了系統設計的合理性、理論仿真和實驗驗證的一致性。

5 結語

本文針對應用于電力電子變壓器場合的高頻大功率變壓器，針對芯式結構變壓器，選用U型蒸發器為換熱原件，解決了變壓器散熱問題，實現了變壓器功率密度10 kW/L的設計目標。本文設計了常溫自循環蒸發冷卻來實現變壓器的散熱，計算了整體變壓器系統的傳熱過程，驗證了蒸發冷卻中相變過程的均溫性。最后，本文給出了150 kW 樣機的實驗數據，驗證了仿真設計研究的正確性。