CN115935679A - 一种脉冲电源热管理系统设计方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种脉冲电源热管理系统设计方法及其装置，属于脉冲功率热管理领域，具体方法为：根据脉冲功率电源结构及应用工况需求，设计脉冲功率电源发热器件的水冷结构。根据脉冲功率电源放电参数计算放电电流，根据器件参数计算其热功率。以器件发热量为激励源，进行固液耦合传热有限元计算，根据重频运行需求为系统设计流量和电导率符合要求的冷却水，根据冷却水流量确定热管理系统关键器件的参数。本发明还提供了按照以上方法设计的脉冲电源热管理装置。本发明方法和装置能够保证脉冲功率电源重复频率输出的可靠性与精度，保证设备与操作人员的安全。

Description

一种脉冲电源热管理系统设计方法及其装置

技术领域

本发明属于脉冲功率热管理领域，更具体地，涉及一种一种脉冲电源热管理系统设计方法及其装置。

背景技术

脉冲功率电源广泛应用在国防科研、高新技术研究和民用工业等诸多领域中，在核物理、加速器、激光、电磁发射等技术中发挥重要作用，在化工、环境工程、医疗等领域也有着巨大的潜力。

脉冲功率电源组成具体包括脉冲电容器组、高能快速晶闸管、高能二极管、晶闸管触发保护和二极管保护装置、调波电感、大电流输出接口等。在脉冲功率电源输出电流时，器件发热点的热功率难以扩散，单次输出过程中高功率器件的瞬时温升达到数十摄氏度。应用到重复频率输出时，短时间内热量存在累积，易引发器件热失效。同时，器件温升导致其阻抗发生较大变化，引起电源的输出稳定性下降。通过增加高功率器件的体积可以降低器件重复频率工作时的温升，但是会导致电源体积急剧增加。同时，由于绝缘材料自身导热性能较差，器件内部的热累积难以快速扩散，局部温升较高，器件仍存在较大的失效风险。

目前，对于脉冲功率电源的设计主要是考虑单次放电，难以满足重频运行的需求，缺乏脉冲功率电源热管理方面系统、全面的设计方法。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种脉冲电源热管理系统设计方法及其装置，其通过系统和全面的考虑，从热量的产生和疏导方面进行考虑，具体细化到器件结构、参数设计、冷却液流量的设计，最终的热管理系统能保证脉冲功率电源重复频率输出的可靠性与精度，保证设备与操作人员的安全。

传统脉冲功率电源主要由充电电源、放电回路、泄放支路、上位机、控制分机构成，对于脉冲功率电源的设计主要是考虑单次放电，难以满足重频运行的需求，需要有脉冲功率电源热管理系统设计方法。

按照本发明的一个方面，提供一种脉冲电源热管理系统设计方法，首先，根据脉冲功率电源结构及应用工况需求，选择流体散热方式对脉冲功率电源进行热管理，在流体散热方式基础上，设计脉冲功率电源结构中发热器件的流体散热结构，

接着，脉冲功率电源放电参数计算放电电流，根据脉冲功率电源结构中发热器件的参数计算各自的发热量，

然后，以发热器件发热量为激励源，进行固液耦合传热计算，根据重频运行需求设计流量和电导率符合要求的冷却媒介流量，

最后，根据冷却媒介流量确定其在各个环节的控制参数，保证强脉冲功率电源的重复频率输出可靠性与精度。

进一步的，脉冲率电源采用模块化设计，每个脉冲功率电源配置一套独立的热管理系统，利于容量拓展、故障排查以及检修更换。

以上发明构思中，常用的热管理方式主要有散热器及风扇、相变材料及流体散热等。由于脉冲功率电源工作在高电压、大电流工况，其发热主要集中内部大电流通过路径。以小型化工艺设计的脉冲电感为例，线圈一般采用环氧树脂类绝缘材料浇筑封装，环氧材料的导热系数很低，内部热量难以向外发散。此时，采用散热器及风扇或采用相变材料的散热方式受到限制，难以达到较好的效果。而采用流体散热可以快速地将局部发热带走，实现稳定局部与整体温升的目的。

进一步的，根据放电回路的电容C、电感L、电阻R与充电电压U₀，放电电流i(t)可由公式计算：

其中，d表示微分，u_C(t)表示脉冲电容两端电压，u_C(0)表示初始时脉冲电容两端电压，等于电容充电电压U₀。

根据脉冲电感的等效串联电阻R₀和放电电流计算脉冲电感的热功率p(t)：

p(t)＝i²(t)R₀

根据放电电流与晶闸管和二极管的通态阻抗特性U＝f(I)，计算其通态压降u(t)，再由放电电流与通态压降计算其热功率p′(t)：

p′(t)＝u(t)×i(t)

进一步的，以器件热功率为激励源，对于脉冲电感，根据

计算其趋肤效应深度δ，激励源加在电流集中区域，μ为脉冲电感磁导率，γ为材料的电导率，k为材料电阻率温度变化系数，ω为频率。对于晶闸管与二极管，激励源加在器件硅层。

进一步的，设计冷却液流量，结合模型条件与边界条件，进行固液耦合传热有限元计算器件温升，根据温升调整冷却液流量，并进行迭代运算，为热管理系统设计流量和电导率符合要求的冷却水。流体的运动状态使用雷诺数Re判断，对流换热系数α可表示为：

式中：v是水的流速；d是水道的直径；η是水的粘度系数，ρ为水的密度；Nu为努尔赛数，与Re成正比；λ为流体导热系数，根据牛顿冷却公式，水管对流表面的单位面积换热量如下：

式中：q为单位面积换热量；ΔT为壁温与流体平均温度的温差。

流体本身存在着粘滞性，必须施加压力才能克服水道对流体产生的阻力。将冷却系统的压力损失分成两类：一类是克服沿水道阻力的压力损失；另一类是水道形式发生变化而产生的局部压力损失。

式中：ΔP为总压力损失；ΔP₁为沿水道压力损失；ΔP₂为局部压力损失；μ为摩擦系数；l为水道长度；ρ为流体密度；ζ为局部损耗系数。当冷却液流速增加时，对流换热系数增大，吸热功率增大，但压力损失也随之增大，需要选取合适的泵提供冷却水压力。

按照本发明的第二个方面，还提供一种按照如上方法设计的热管理系统，热管理系统主要包括由水泵、储水箱、离子交换器、气水分离器、冷水机和调节阀，所述水泵为热管理系统提供水压；所述储水箱用于储存系统冷却水；所述离子交换器用于吸附水中的阴离子和阳离子，降低内冷却液的电导率；气水分离器用于除去冷却管路中出现的气泡；所述冷水机用于降低储水箱中冷却水的温度；所述调节阀用于控制冷却水流量与压力。具体的，根据冷却水流量得到水路压力损失，设计水泵的流量与扬程。根据允许温升计算水箱体积，进而考率水箱水压与形变量，具体方法为Q＝c×m×Δt，Q为脉冲功率电源所有模块放电过程中总发热量，Δt为允许最大温升，c为比热容，m为冷却水质量，根据冷却水质量计算冷却水体积。

进一步的，热管理系统还包括根据需求设计的测量模块与控制模块。所述测量模块用于测量电源模块冷却水的进出口温度、压力、电导率并上传至控制模块，实现对各个脉冲功率电源模块的温度监测。控制模块采用基于PLC编程，用于控制水泵、离子交换器、气水分离器、冷水机、调节阀的运行，并根据测量模块上传的冷却水参数判断热管理系统运行状态，并在热管理系统发生故障时发出声光报警信号。

按照本发明的第三个方面，还提供包括如上热管理系统的脉冲电源，将脉冲功率电源发热器件设计为水冷结构，发热器件主要为脉冲电感、晶闸管、二极管。具体的，脉冲电感线圈采用空心管状导体绕制，空心部分通入冷却水，线圈外部采用环氧树脂类绝缘材料浇筑封装。晶闸管与二极管阀片采用压接水冷板的方法，水冷板中设有冷却水沟道，在水冷板中通入冷却水，吸收脉冲放电时产生的热量。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下

有益效果：

本发明提出一种高功率脉冲功率电源热管理系统设计方法及其装置，全面而系统的进行考虑，进行包括热管理系统的组成分析、器件结构设计、温升计算、流量设计、器件参数设计在内的改进，设计的热管理系统能保证脉冲功率电源发热器件的散热能力，有利于脉冲功率电源小型化，结构更紧凑，有效提升脉冲功率电源功率密度和能量密度。本发明方和装置其能保证发热器件的温升在所需范围，保证脉冲功率电源的重复频率输出的可靠性与精度，保证设备与操作人员的安全。

附图说明

图1为本发明实施例中高功率脉冲功率电源热管理系统设计方法框架图；

图2为本发明实施例中脉冲功率电源结构示意图；

图3a为本发明实施例中发热器件脉冲电感线圈的结构示意图；

图3b为本发明实施例中发热器件晶闸管和二级管压接水冷板的结构示意图。

图4为本发明实施例中脉冲功率电源热管理系统结构示意图；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为本发明实施例中高功率脉冲功率电源热管理系统设计方法框架图，由图可知，本发明的高功率脉冲功率电源热管理系统设计方法主要包括如下几个关键的步骤：

步骤1、根据脉冲功率电源结构及应用工况需求，选择流体散热技术对脉冲功率电源进行热管理设计。

步骤2、设计发热器件流体散热结构。

步骤3、根据脉冲功率电源放电参数计算放电电流，根据器件参数计算其发热量。

步骤4、以器件发热量为激励源，进行固液耦合传热有限元计算，根据重频运行需求为系统设计流量和电导率符合要求的冷却水。

步骤5、根据冷却水流量确定热管理系统关键器件的参数，保证强脉冲功率电源的重复频率输出可靠性与精度。

本发明中，根据场路耦合计算方法，设计高功率脉冲电源热管理系统。脉冲率电源采用模块化设计，每个脉冲功率电源模块配置热管理系统，利于容量拓展、故障排查以及检修更换。常用的热管理技术主要有散热器及风扇、采用相变材料及流体散热技术等。由于脉冲功率电源工作在高电压、大电流工况，其发热主要集中内部大电流通过路径。以小型化工艺设计的脉冲电感为例，线圈一般采用环氧树脂类绝缘材料浇筑封装，环氧材料的导热系数很低，内部热量难以向外发散。此时，采用散热器及风扇或采用相变材料的散热方式受到限制，难以达到较好的效果。而采用流体散热技术可以快速地将局部发热带走，实现稳定局部与整体温升的目的。

图2为本发明实施例中脉冲功率电源结构示意图，由图可知，包括本发明的热管理系统的高功率脉冲电源主要由充电电源、放电回路、泄放支路、上位机、控制分机构成。本发明的热管理系统对于脉冲功率电源的设计主要是考虑多次放电，能满足重频运行的需求。

图3a为本发明实施例中发热器件脉冲电感线圈的结构示意图，图3b为本发明实施例中发热器件晶闸管和二级管压接水冷板的结构示意图，结合两图可知，脉冲功率电源发热器件为水冷结构，发热器件主要为脉冲电感、晶闸管、二极管。脉冲电感线圈采用空心管状导体绕制，空心部分通入流体，线圈外部采用环氧树脂类绝缘材料浇筑封装。晶闸管与二极管阀片采用压接水冷板的方法，水冷板中设有冷却水沟道，在水冷板中通入冷却水，吸收脉冲放电时产生的热量。

在本发明的一个实施例中，根据放电回路的电容C、电感L、电阻R与充电电压U₀，放电电流i(t)满足如下关系：

在一个具体的实例中，单个脉冲功率电源模块的脉冲电容量为15.45mF，脉冲电感为30μH，其等效串联电阻为2mΩ，负载为5μH，10mΩ，充电电压为6500V，可计算得放电电流峰值为110kA，脉宽为10ms。

根据放电电流与脉冲电感的等效串联电阻计算脉冲电感的发热量。还根据放电电流与晶闸管和二极管的通态阻抗特性计算其通态压降，再由放电电流与通态压降计算其发热量。在脉冲电源输出电流的瞬间，可假设脉冲电感瞬时发热均由铜吸收，此时铜导体的热功率可计算为：

p(t)＝i²(t)R₀

式中：p(t)为热功率，i(t)为通过脉冲电感的放电电流，R为脉冲电感的等效串联电阻。脉冲电感放电过程的发热量可表示为：

Q＝∫i²()

式中：Q为放电过程的发热量。

此外，根据晶闸管阻抗特性

以及放电电流i(t),可计算晶闸管电压波形u(t)，其中A、B、C、D可根据器件的伏安特性曲线进行拟合，由P'(t)＝u(t)×i(t)计算晶闸管热功率。晶闸管或二极管放电过程的发热量可表示为:

式中：Q′为晶闸管或二极管放电过程的发热量。

在该实例中，每次放电过程脉冲电产生的热为55kJ，晶闸管每次脉冲放电产生的热量为3.0kJ。

在本发明的另一个实施例中，以器件热功率为激励源，根据

计算趋肤效应深度δ，μ为脉冲电感磁导率，γ为材料的电导率，k为材料电阻率温度变化系数，约为1.1～1.2，ω为频率。在该实例中，趋肤深度变化在4％～6％之间，激励源均匀加在铜导体上。对于晶闸管与二极管，激励源加在器件硅层。设计冷却液流量，结合模型条件与边界条件，进行固液耦合传热有限元计算器件温升，根据温升调整冷却液流量，并进行迭代运算，为系统设计流量和电导率符合要求的冷却水。模型条件是指器件各部分的结构、材料、密度、热导率、热容等条件，边界条件是指传热方式、冷却水流速、压强、激励源等条件。

流体的运动状态使用雷诺数Re判断，对流换热系数α可表示为：

式中：v是水的流速；d是水道的直径；η是水的粘度系数；Nu为努尔赛数(与Re成正比)；λ为流体导热系数。

根据牛顿冷却公式，水管对流表面的单位面积换热量如下：

式中，q为单位面积换热量，ΔT为壁温与流体平均温度的温差。

流体本身存在着粘滞性，必须施加压力才能克服水道对流体产生的阻力。将冷却系统的压力损失分成两类：一类是克服沿水道阻力的压力损失；另一类是水道形式发生变化而产生的局部压力损失。

式中：ΔP为总压力损失；ΔP₁为沿水道压力损失；ΔP₂为局部压力损失；μ为摩擦系数；l为水道长度；ρ为流体密度；ζ为局部损耗系数。当冷却液流速增加时，对流换热系数增大，吸热功率增大，但压力损失也随之增大，需要选取合适的泵提供冷却水压力。

在该实例中，脉冲电感在不加冷却液时，第一次放电最高温升为8.9℃，6s后温升为7.0℃，意味着每次放电有约7℃的温度累积，10次重频放电后最高温升达65.5℃，会严重影响脉冲功率电源输出精度。而冷却液流量为4L/min时，三次放电后温度保持周期性稳定，之后每次脉冲放电最高温升为11.7℃，在下一个工作点到来之前可以恢复到3.2℃，可保证电源模块输入的均衡性要求。在实际配置方案中，电感冷却液流量为5L/min，可满足设备运行要求。

对于晶闸管，脉冲功率电源重复频率运行时，不加冷却液时，环境温度25℃时，第一次放电最高温升达到80℃，6秒之后温升在40℃左右，10次重频放电最高温升达到150℃，超出热损坏阈值，严重影响晶闸管寿命。当冷却液流量为5L/min，两次放电后温升保持周期性稳定，每次放电最高温升为96℃，在下一个工作点到来之前可以恢复到25℃，散热能够满足需求。晶闸管能够满足通流要求的情况下，采用同尺寸的二极管也能够满足同等的工况要求。

图4为本发明实施例中脉冲功率电源热管理系统结构示意图，由图可知，热管理系统主要由水泵、储水箱、离子交换器、气水分离器、冷水机、调节阀等几部分组成。其中，水泵为热管理系统提供水压；所述储水箱用于储存系统冷却水；所述离子交换器用于吸附水中的阴离子和阳离子，降低内冷却液的电导率；气水分离器用于除去冷却管路中出现的气泡；所述冷水机用于降低储水箱中冷却水的温度；所述调节阀用于控制冷却水流量与压力。在实际工程实践中，根据冷却水流量得到水路压力损失，设计水泵的流量与扬程。根据允许温升计算水箱体积，进而考核水箱水压与形变量。

在一个具体的实例中，在冷却水流量为5L/min，流过脉冲电感和水冷板时压力损失分别为0.257MPa和0.007Mpa，管路的压力损失约0.2MPa，那么额定流量下整个电源模块总的压力损失约为0.46Mpa，选择扬程为46m，额定流量为22m³/h的水泵为电源模块供水。

单个脉冲功率电源模块在一个工作周期内的热损耗为：55kJ×10，脉冲功率电源工作产生的热损耗由水箱中的冷却水吸收，一个周期结束后，水箱中水最大允许温升为30K。在一个工作周期内电源模块的热平衡满足：冷却水吸收的热量＝设备工作产生的损耗，即c×m×Δt＝55kJ×18×5×10，则m＝471.4kg≈0.5t。

设备运行环境存在低温情况，需要再冷却水中添加乙二醇，降低冷却液的冰点，按40％的乙二醇溶液考虑，在25℃时，乙二醇溶液比热为3.5kJ/kg℃，30MJ电源需要水箱容积应不小于0.5m³。实际使用中，选择3m³水箱，其最大变形量1.86mm，最大应力287MPa，满足设备使用要求。

在本发明的又一个实施例中，根据需求设计测量模块与控制模块。所述测量模块用于测量电源模块冷却水的进出口温度、压力、电导率并上传至控制模块，实现对电源模块温度的监测；所述控制模块采用基于PLC编程，用于控制水泵、离子交换器、气水分离器、冷水机、调节阀的运行，并根据测量模块上传的冷却水参数判断系统运行状态，并在系统发生故障时控发出声光报警信号。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种脉冲电源热管理系统设计方法，其特征在于，

首先，根据脉冲功率电源结构及应用工况需求，选择流体散热方式对脉冲功率电源进行热管理，在流体散热方式基础上，设计脉冲功率电源结构中发热器件的流体散热结构，

接着，根据脉冲功率电源放电参数计算放电电流，再根据脉冲功率电源结构中发热器件的参数计算各自的发热量，

然后，以发热器件发热量为激励源，进行固液耦合传热计算，根据重频运行需求设计流量和电导率符合要求的冷却媒介流量，

最后，根据冷却媒介流量确定其在各个环节的控制参数，保证强脉冲功率电源的重复频率输出可靠性与精度。

2.如权利要求1所述的一种脉冲电源热管理系统设计方法，其特征在于，脉冲功率电源采用模块化设计，每个脉冲功率电源配置一套独立的热管理系统。

3.如权利要求2所述的一种脉冲电源热管理系统设计方法，其特征在于，脉冲功率电源结构中发热器件包括脉冲电感、晶闸管和二极管，脉冲电感、晶闸管和二极管均为水冷结构，冷却媒介为水。

4.如权利要求3所述的一种脉冲电源热管理系统设计方法，其特征在于，根据脉冲功率电源结构中放电回路的电容C、电感L、电阻R、充电电压U₀和脉冲功率电源的放电电流i(t)的关系式，计算获得放电电流i(t)，其中：

u_C(0)＝U₀，

其中，u_C(t)表示脉冲电容两端电压，u_C(0)表示初始时脉冲电容两端电压，等于电容充电电压U₀，根据放电电流计算脉冲电感、晶闸管和二极管的热功率。

5.如权利要求4所述的一种脉冲电源热管理系统设计方法，其特征在于，根据脉冲电感的等效串联电阻R₀和放电电流i(t)计算脉冲电感的热功率p(t)：

p(t)＝i²(t)R₀。

6.如权利要求4所述的一种脉冲电源热管理系统设计方法，其特征在于，根据晶闸管和二极管的通态阻抗特性U＝f(I)计算晶闸管和二极管的通态压降u(t)，再根据放电电流i(t)与通态压降u(t)计算晶闸管和二极管的热功率p′(t)：

p′(t)＝u(t)×i(t)。

7.如权利要求3-6任一所述的一种脉冲电源热管理系统设计方法，其特征在于，以发热器件热功率为激励源，晶闸管与二极管的激励源加在器件硅层，

对于脉冲电感，根据

计算其趋肤效应深度，激励源加在电流集中区域，其中，μ为脉冲电感磁导率，γ为材料的电导率，k为材料电阻率温度变化系数，ω为频率，

确定冷却水流量，结合热管理的目标要求，进行固液耦合传热有限元计算，获得发热器件温升，根据发热器件温升调整冷却水流量，并进行迭代运算，确定热管理系统最终的冷却水流量和冷却水电导率。

8.如权利要求1-7任一所述的设计方法设计获得的脉冲电源热管理系统，其特征在于，其包括水泵、储水箱、离子交换器、气水分离器、冷水机、调节阀和电控箱，其中，

冷水机连接储水箱，用于给储水箱的冷却水制冷，气水分离器设置在储水箱入口处，用于除去冷却水路中的气泡，调节阀设置在冷却水路中，用于调节冷却水的流量和压力，水泵用于为热管理系统提供水压，离子交换器设置在水泵两端，用于吸附水中的阴离子和阳离子，降低内冷却水的电导率，电控箱用于对整个热管理系统进行控制。

9.如权利要求8所述的脉冲电源热管理系统，其特征在于，其还包括测量模块和控制模块，其中，测量模块包括温度传感器、压力传感器和电导率传感器，分别用于测量冷却水进出口的温度、压力、电导率并上传至控制模块，所述控制模块用于接受冷却水进出口的温度、压力、电导率的数据，其基于PLC编程，用于控制水泵、离子交换器、气水分离器、冷水机、调节阀的运行，并根据测量模块上传的冷却水参数判断热管理系统运行状态，并在热管理系统发生故障时发出声光报警信号。

10.包括如权利要求8-9任一所述的脉冲电源热管理系统的脉冲电源，其特征在于，其脉冲电感线圈采用空心管状导体绕制，空心部分用于通入水进行冷却，脉冲电感线圈外部采用绝缘材料浇筑封装，

晶闸管与二极管阀片采用压接水冷板的结构形式，水冷板中设有冷却水沟道，在水冷板中通入冷却水，以用于吸收脉冲放电时产生的热量。

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