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大功率逆变电源散热设计的有效性如何构建?

文章来源:稳压电源公司,时间:2018-10-11 09:06    点击量:

本文研究了大功率逆变电源中IGBT模块的散热设计。大功率IGBT模块在功率变换系统、无功补偿系统等领域有着广泛的应用,随着系统尺寸重量向着轻小化方向发展,IGBT模块单位体积内的散热量越来越高,严重危害了系统的稳定运行,因而对IGBT模块的热分析、热管理成为大容量IGBT技术发展的重要研究方向。
 
本文提供了一整套的大功率逆变电源散热设计方法:首先对IGBT模块在实际工作电压电流下的损耗进行了分析计算,接下来提出了一种考虑IGBT模块内NTC热敏电阻的新型等效热路图,通过该等效热路图可较快速准确地进行结温以及热阻的计算,最后利用ANSYS的DesignXplorer模块对影响散热器热阻的关键参数进行了定量分析,并对大功率逆变电源散热系统的散热效果进行了仿真和试验分析,证明散热设计的准确性。
 
用于功率转换和电机控制的绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块在电动汽车、火车、不间断电源以及风力涡轮机中有着非常广泛应用。近些年来,随着功率等级的提高以及功率模块小型化的不断推进,IGBT功率模块不可避免地要散发出更多的热量,也就是功率损耗体现为功率模块发热。
 
在混合电动汽车的应用中,IGBT模块的热流密度已经达到100~150W/cm2,并且随着容量的增大和开关频率的增高,下一代的IGBT模块的热流密度有计划上升至500W/cm2。在这种情况下,对IGBT模块的热分析成为大容量先进IGBT模块技术发展的主要壁垒。
 
现阶段的对大功率IGBT模块的研究主要集中3个方向。
 
1)对IGBT模块的损耗计算。文献[4-5]在分析损耗计算时忽略了功率器件结温对损耗的影响。文献[4]结论的成立的条件是器件的开关能量损耗与其承受的电压呈线性关系。文献[5]在对NPC型IGBT模块进行分析的时候认为中间的钳位二极管和上下两个反恢复二极管的损耗完全相同,实际上它们的导通时间是不同的,因而产生的损耗也是不同的。
 
2)对整个散热模型的等效热路图进行精确化等效。文献[6-7]等对现阶段的等效热路图进行了改进,提出了3-D热阻抗等效模型,并将热耦合等因素考虑了进去,但是这种热阻抗模型过于复杂,而且只对IGBT芯片内部结构进行了等效,因而适用于外围电路简单的散热。
 
3)对新型散热方式的研究。文献[8]提出了新型的水冷风冷相结合的冷却办法,但造价较高。现如今的热管冷却,微通道冷却效果都很好,但是缺点在于前期的经济成本过高。
 
本文第一部分对IGBT模块在实际工作电压电流下的损耗进行了分析计算,第二部分提出了一种考虑IGBT模块内NTC热敏电阻的新型等效热路图,通过该等效热路图可较快速准确地进行结温以及热阻的计算,第三部分利用有限元分析软件ANSYS中的DesignXplorer模块对影响散热器热阻的多个关键参数进行了定量分析,最后一部分对各个参数影响下大功率逆变电源散热系统的散热效果进行了仿真和试验分析,仿真和实验结果证明了等效热路图的实用性以及大功率逆变电源散热设计的准确性。
 
图2  IGBT模块散热器模型
大功率逆变电源散热设计的有效性如何构建?
 
图12  实验平台
大功率逆变电源散热设计的有效性如何构建?
 
 
结论
本文主要分析了大功率逆变电源在工作电流为200A时的损耗计算方法,以及在损耗计算基础上提出了基于NTC热敏电阻的热阻等效热路图,并进行了散热设计。在理论分析后进行了实际的仿真及实验检验,最终证明了大功率逆变电源散热设计的有效性。

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