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大功率逆變電源散熱設計的有效性如何構建?

文章來源:穩壓電源公司,時間:2018-10-11 09:06    點擊量:

本文研究了大功率逆變電源中IGBT模塊的散熱設計。大功率IGBT模塊在功率變換系統、無功補償系統等領域有着廣泛的應用,随着系統尺寸重量向着輕小化方向發展,IGBT模塊單位體積内的散熱量越來越高,嚴重危害了系統的穩定運行,因而對IGBT模塊的熱分析、熱管理成為大容量IGBT技術發展的重要研究方向。
 
本文提供了一整套的大功率逆變電源散熱設計方法:首先對IGBT模塊在實際工作電壓電流下的損耗進行了分析計算,接下來提出了一種考慮IGBT模塊内NTC熱敏電阻的新型等效熱路圖,通過該等效熱路圖可較快速準确地進行結溫以及熱阻的計算,最後利用ANSYS的DesignXplorer模塊對影響散熱器熱阻的關鍵參數進行了定量分析,并對大功率逆變電源散熱系統的散熱效果進行了仿真和試驗分析,證明散熱設計的準确性。
 
用于功率轉換和電機控制的絕緣栅雙極晶體管(IGBT)模塊在電動汽車、火車、不間斷電源以及風力渦輪機中有着非常廣泛應用。近些年來,随着功率等級的提高以及功率模塊小型化的不斷推進,IGBT功率模塊不可避免地要散發出更多的熱量,也就是功率損耗體現為功率模塊發熱。
 
在混合電動汽車的應用中,IGBT模塊的熱流密度已經達到100~150W/cm2,并且随着容量的增大和開關頻率的增高,下一代的IGBT模塊的熱流密度有計劃上升至500W/cm2。在這種情況下,對IGBT模塊的熱分析成為大容量先進IGBT模塊技術發展的主要壁壘。
 
現階段的對大功率IGBT模塊的研究主要集中3個方向。
 
1)對IGBT模塊的損耗計算。文獻[4-5]在分析損耗計算時忽略了功率器件結溫對損耗的影響。文獻[4]結論的成立的條件是器件的開關能量損耗與其承受的電壓呈線性關系。文獻[5]在對NPC型IGBT模塊進行分析的時候認為中間的鉗位二極管和上下兩個反恢複二極管的損耗完全相同,實際上它們的導通時間是不同的,因而産生的損耗也是不同的。
 
2)對整個散熱模型的等效熱路圖進行精确化等效。文獻[6-7]等對現階段的等效熱路圖進行了改進,提出了3-D熱阻抗等效模型,并将熱耦合等因素考慮了進去,但是這種熱阻抗模型過于複雜,而且隻對IGBT芯片内部結構進行了等效,因而适用于外圍電路簡單的散熱。
 
3)對新型散熱方式的研究。文獻[8]提出了新型的水冷風冷相結合的冷卻辦法,但造價較高。現如今的熱管冷卻,微通道冷卻效果都很好,但是缺點在于前期的經濟成本過高。
 
本文第一部分對IGBT模塊在實際工作電壓電流下的損耗進行了分析計算,第二部分提出了一種考慮IGBT模塊内NTC熱敏電阻的新型等效熱路圖,通過該等效熱路圖可較快速準确地進行結溫以及熱阻的計算,第三部分利用有限元分析軟件ANSYS中的DesignXplorer模塊對影響散熱器熱阻的多個關鍵參數進行了定量分析,最後一部分對各個參數影響下大功率逆變電源散熱系統的散熱效果進行了仿真和試驗分析,仿真和實驗結果證明了等效熱路圖的實用性以及大功率逆變電源散熱設計的準确性。
 
圖2  IGBT模塊散熱器模型
大功率逆變電源散熱設計的有效性如何構建?
 
圖12  實驗平台
大功率逆變電源散熱設計的有效性如何構建?
 
 
結論
本文主要分析了大功率逆變電源在工作電流為200A時的損耗計算方法,以及在損耗計算基礎上提出了基于NTC熱敏電阻的熱阻等效熱路圖,并進行了散熱設計。在理論分析後進行了實際的仿真及實驗檢驗,最終證明了大功率逆變電源散熱設計的有效性。

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