多電平單元串聯(lián)高壓變頻器功率單元的熱設計

1、多電平單元串聯(lián)高壓變頻器功率單元的熱設計 1 引言 隨著大功率的 igbt 器件的日益成熟，價格的不斷下降，其已經(jīng)成為電力電子行業(yè)的主導器件，在以 igbt 為 基礎制作的高壓變頻器也已經(jīng)走向工業(yè)的各個方面。 當隨著能源價格的不斷上漲， 世界能源日漸貧乏， 在建設節(jié) 能型社會的理念下，大容量的變頻器的需求越來越多，其大功率的 igbt 相應大量的應用。在大功率 igbt 應用中， 如何保證大功率 igbt 使用中的散熱效果就成為了大功率高壓變頻器研發(fā)中的關鍵點之一。 在變頻器設備中， 大功率的 igbt 和 doide 是設備運行穩(wěn)定的關鍵器件， 其工作狀態(tài)的是否穩(wěn)定直接影響整個 變頻器的可靠

2、性。功率器件在運行過程中，由于其靜態(tài)與動態(tài)的損耗，產(chǎn)生大量的多余熱量，利用散熱系統(tǒng)來使 其發(fā)散出去。 散熱不良的直接后果是導致器件的運行溫度過高， 芯片的晶體結(jié)構發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的破壞， 輕則使運 行參數(shù)偏移劇烈，在嚴重時導致短路引起著火、爆炸的后果。 本文從工程實用角度出發(fā)，結(jié)合多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器的 300a 通用功率單元子系統(tǒng)的研發(fā)，充分 運用功率器件的熱設計和散熱器的工程化方法，使用現(xiàn)代流體計算機輔助設計的熱傳導分析軟件和熱設計技術， 研制中的 300a 通用功率單元散熱系統(tǒng)實施了熱設計、熱分析和熱試驗集成研發(fā)綜合工程，滿足其用 300a 通用 功率單元所構成的 6kv/2500k

3、w 或 10kv/4200kw 高壓變頻器運行中的散熱需求。 2 熱設計理論基本簡介 2.1 熱設計發(fā)展動態(tài)分析 熱設計是利用熱的傳遞特性， 通過冷卻裝置控制電子設備內(nèi)部所有電子元器件的溫度， 使其在設備內(nèi)所處的 工作環(huán)境條件下，不超過規(guī)定的最高允許溫度的設計技術。 我國在熱設計方面研究起步時對軍用電子設備給予了高度的重視， 在 1992 年 7 月頒布了國軍標 gjb/z27-92 電子設備可靠性熱設計手冊，作為熱設計的基本依據(jù)； 1993 年 9 月頒布了國軍標 gjb/z35-93 元器件降額 準則，規(guī)定了各元器件在不同應用情況下應降額的參數(shù)及其量值標準，并提供熱設計和降額設計的應用指南

4、。 電子產(chǎn)品的熱設計發(fā)展方向為： (1) 冷卻方案的發(fā)展 由于超大功率開關器件， 超大規(guī)模集成電路的不斷發(fā)展， 其單位面積產(chǎn)生的熱量越來越大， 散熱系統(tǒng)通道的 熱流密度相應越來越高， 用原有常規(guī)冷卻方案已無法滿足散熱要求， 從而產(chǎn)生了新型的高效冷卻方式在工程上的 應用，例如：噴射液冷、二相流冷卻、微型熱管傳熱、模塊級核沸騰換熱等方案。 (2) 熱設計層次劃分 熱設計在發(fā)展過程中，由于其在不同環(huán)境要求下的需求，形成了元件級、電路板級、設備級三個層次系統(tǒng)。 每一個層次系統(tǒng)均發(fā)展出相應的計算機工程輔助軟件，能在產(chǎn)品研發(fā)和設計之初就進行熱設計與仿真。 (3) 熱設計系統(tǒng)集成 從提高電力電子設備的可靠性

5、出發(fā)，將電子產(chǎn)品的熱設計， 熱分析和熱測量集成為一個工程體系，應用相關 的計算機輔助軟件，結(jié)合獨立元器件重載，高溫測試，利用測量結(jié)果與熱設計原理分析，構成一個嚴謹?shù)臒嵩O計 集成系統(tǒng)，從而保證研發(fā)出產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性。 2.2 熱電模擬法 熱阻是一個數(shù)學上的概念，類似于在基礎物理中學到的電阻的概念。其含義是：通過物體的熱流量與流過固 定電阻的電流十分近似。 根據(jù)傅立葉的熱傳導定律指出：通過物體單位面積的熱流量正比垂直于等溫線方向的的溫度梯度。將公式進 行積分后得：，-將稱為熱阻。 根據(jù)歐姆定律，電壓差產(chǎn)生電流。 喬治-西蒙-歐姆(1787-1854年)證明了電流和電壓差之間存在簡單的線性 I丄 關系

6、，其公式為： 在工程中作如下對比： 電流i 熱流q 電壓v溫差 t 電阻r熱阻r 這就是熱電模擬法的基本原理。 3熱設計的要求和準則 熱設計的要求 (1) 熱設計應滿足電子設備最高允許的工作溫度和功耗要求； (2) 熱設計應滿足電子設備預期工作的熱環(huán)境要求； (3) 熱設計應滿足對冷卻系統(tǒng)的限制要求； (4) 熱設計應符合其有關的標準、規(guī)范規(guī)定的要求。 熱設計流程 熱設計是在充分掌握各種導致熱失效參數(shù)的前提下，以較少的冷卻代價獲得高可靠的電子設備，一個標準的 1所示。 熱設計流程將會極大提高熱設計的效率，并減少熱設計失誤的概率。標準的熱設計流程如圖 熱設計目的 圖1標準的熱設計流程 在300a

7、變頻器通用功率單元的具體原則 在熱設計中，在遵守以上要求和準則的基礎上，針對高壓變頻器的具體特點，制定在工作中必須遵守的總原 則： (1) 第一原則 在研發(fā)中，所有關鍵參數(shù)必須有相應的數(shù)學運算與仿真進行驗證。 關鍵參數(shù)是設備研發(fā)的靈魂，其準確與否關系著研發(fā)項目的成敗。 (2) 第二原則 在研發(fā)中， 必須保證高壓變頻器的穩(wěn)定性。 研發(fā)使用的元件說明文件必須保證齊全準確。 在研發(fā)工作過程中， 不允許出現(xiàn)任何影響設備穩(wěn)定性的設計。當與其它要求沖突時，必須以穩(wěn)定性為優(yōu)先考慮。 (3) 第三原則 在研發(fā)中，充分考慮降低生產(chǎn)制造時的成本要求。 降低設備的生產(chǎn)成本， 就是加大設備的利潤， 在保證第一和第二原

8、則基礎的前提下， 使用各種研發(fā)技術方法 降低設備生產(chǎn)的成本。 (4) 第四原則 在研發(fā)中，充分考慮加工，安裝，檢測，維修的工藝。 (5) 第五原則 在研發(fā)中，在保證以上原則的基礎上，應用緊湊設計思想，盡可能減小研發(fā)設備的體積。 (6) 第六原則 對于昂貴的工業(yè)設備，在滿足技術要求的前提下，保證外觀的漂亮，將各種標識，窗口，安裝結(jié)構與藝術相 結(jié)合，達到賞心悅目的標準。 4 高壓變頻器 300a 功率單元的應用參數(shù)與初步運算 4.1 功率單元原理圖與功率器件的型號 功率單元原理圖如圖 2 所示： 輸入罄流電容陣列IGBT變換 圖2功率單元原理圖 10只，其中igbt是4只，二極管是6 由原理圖可看

9、出，高壓變頻器功率單元的主回路中半導體功率元件為 只。 4.2 300a通用功率單元功率器件型號的確定 通過對變頻器系統(tǒng)參數(shù)的整體分解后，對功率單元的研發(fā)目標是輸出有效電流值為300a，有效電壓值為 660v的正弦調(diào)制的pwm波。 3328 3328 3328 3328 3328 3328 3328 igbt型號的確定 根據(jù)輸出參數(shù)要求，確定 igbt的容量： 基波電流峰值：if 在三次諧波加入后的尖峰值: 此 1-13 *424.2.4=- 551 46A 經(jīng)計算得igbt最小容量為551.46a,根據(jù)igbt型號選擇表，對應選擇 600a，1700v的igbt，選用eupec公司 的fz6

10、00r17ke3做為300a通用功率單元的型號。 3329 3329 3329 3329 3329 3329 3329 二極管型號的確定 300a通用功率單元是三相輸入，二相輸出，其運行電壓相同，其輸入電流根據(jù)二相對應三相的恒功率變換 計算得： 基波電流值: = m.2A 1732 輸入回路是三相全波整流電路，元件額定電流選擇為: 1.7 -173.2*1.7-294.44.4 經(jīng)計算，二極管的容量為294.44a ,根據(jù)元件選擇表，選擇350a電流的二極管，選用eupec公司的dd350n 做為300a通用功率單元的型號。 4.3 300a通用功率單元igbt功率器件熱損耗計算 （1）igb

11、t通態(tài)損耗計算 冷哮喚普）+2河好（2峠營當） = 54554+4252 =9 式中： pcondgbtigbt通態(tài)熱損耗功率（w）； vceoigbt通態(tài)正向壓降（v）； i 1igbt運行電流（a ）； m正弦調(diào)制pwm輸出占空比； cos（ $ ）wm輸出功率因數(shù)； rceigbt 結(jié)熱阻（k/w ）。 （2）續(xù)流二極管通態(tài)損耗計算 /F *7 P- -（V） JT4人$3JT -i （1 3 *+ 0.CC5-0 95 切加 %1j8 + 皿樣畋鼻） -917J4-73 m正弦調(diào)制pwm輸出占空比； cos（ $ ）wm輸出功率因數(shù)； rt二極管結(jié)熱阻（k/w）。 （3）igbt開關損

12、耗計算 +=lv(Q+總 * r -L+600 +(0.1 + 0095) =37 2倆 式中： pon+off_igbtigbt 開關熱損耗（w）； fsigbt開關頻率（hz）; i 1igbt運行電流（a ）； eon_igbtigbt單次接通脈沖的能量損耗（w）; eoff_igbtigbt單次關斷脈沖的能量損耗（w ）。 （4）繼流二極管關斷損耗計算 =丄伽 *0.0725 3.14 =13 .劭耐 式中： psw_diode續(xù)流二極管開關熱損耗（w）； fs二極管關斷頻率（hz）； eoff_doide二極管單次關斷脈沖的能量損耗（ w ）。 根據(jù)以上公式計算，得單只igbt的損耗

13、總功率為 pigbt_total=917.16w+79w+37.26w+13.85w=1047.27w 式中： pigbt_total帶續(xù)流二極管的igbt模塊總計熱損耗（w）。 4.4 用四只igbt搭成h橋形輸出正弦調(diào)制 pwm波 是屬于對管互鎖開通拓樸，故其總損耗熱功率為： pigbt_h=2 Xpigbt_total=2 1047.27=2094.54 （w） 式中： w )。 pigbt_h用四只igbt組成h橋逆變輸出pwm波時的總計熱損耗 4.5 300a通用功率單元全橋整流二極管熱損耗功率 功率單元前側(cè)是不可控全橋二極管整流電路，其屬于三相正弦自然換流整流系統(tǒng)，其二極管的開通和

14、關斷均 在自然換相點完成，其熱損耗較小，且由于在工頻下運行，其開關損耗遠遠小于通態(tài)耗損, 算通態(tài)損耗： （1）單只二極管工頻狀態(tài)熱損耗 F =fW =50*r 嚇打 = 50*173 2*0 75*0.02 = 129.9 式中： pd工頻全橋整流二極管開關熱損耗（ w）； f二極管關斷頻率（hz）； wp二極管通態(tài)能量損耗（w）； id二極管通態(tài)平均電流（a）； vd二極管通態(tài)壓降（v）； td二極管通態(tài)導通時間（s）。 （2）用6只二極管組在成的全橋整流器的熱損耗的總功率為 pdoide_total=6 xpcond_doide=6 x 129.9=779.4 （w）。 4.6 300a通

15、用功率單元功率器件熱損耗總功率為 pu ni t_total=4Xigbt_total+6 Xdoide_doide=2094.54+ 779.4=2873.94 （w） 5 300a通用功率單元散熱器的選擇 5.1 300a功率單元散熱器應具有的熱沉功率確定為 在運行中考慮到不同環(huán)境，不同地域的不同散熱，故增加1.3倍安全系數(shù)，得出 pu nit_heat=1.3 xpuni t_total=1.32873.94=3736.122（w） 5.2 散熱器選擇的計算公式 （1）散熱器內(nèi)阻 T -T J? 尺R P 故在工程計算中只計 300a功率單元的熱沉功率為: 式中：rtf散熱器熱阻（C /

16、w）; tj 半導體器件結(jié)溫（C ）； ta環(huán)境溫度（C ）; pc 半導體器件使用功率(W)； rtj半導體器件內(nèi)熱阻(C /w); rtc半導體器件與散熱器界面間的界面熱阻(C /w); (2)散熱器溫升 tfa=rtf*pc 式中： tfa散熱器溫升(C ); 5.3 計算300a通用功率單元散熱器的溫升 (1)計算最大總熱阻 參數(shù)采集：fz600r17ke3運行結(jié)溫120 C,變頻器運行環(huán)境最高溫度：40 C 變頻器功率單元熱損耗3736.122W 5.4 計算散熱器熱阻 參數(shù)采集:fz600r17ke3 T -T P 120-40 3736 122 a 0.0214 C /w 結(jié)到殼

17、熱阻0.04 ;殼到散熱器內(nèi)阻0.04 R-R -R 0.0214-0.040.04 0.0134cC/W 5.5計算散熱器溫升 LT *P = 0.0134*3736 122 = 50 5.6 散熱器結(jié)構的確定 (1)散熱器選擇 在電力電子散熱型材中，鋁散熱器具有重量輕，散熱好，價格低的特點，在變頻器散熱器中應用最為廣泛, 在國內(nèi)鋁擠型材料為ld31(aa6063)，其具有160180 w/m.k的良好熱傳導率，不過由于受到本身材質(zhì)的限制 4241w，用2.0mm 散熱鰭片為1: 33 , 散熱鰭片的厚度和長度之比不能超過1: 18。 在本研發(fā)中，為縮小變頻器功率單元體積，散熱器熱沉效果要達

18、到 已沒有標準的型材采用，故選用高散熱性能的插片式散熱器。 (2)散熱器的結(jié)構 根據(jù)三維立體結(jié)構圖，為散熱器放置空間為76mm 309mM 640mm,根據(jù)散熱器廠家的資料，研發(fā)散熱器 結(jié)構如圖3所示： 圖3300a通用功率單元立體圖 6 300a通用功率單元散熱設計的熱沉效果 4所示的熱分析矢量圖，如圖5所 (1)在散熱器進行結(jié)構設計時，用相關的熱分析行業(yè)軟件進行仿真，得到如圖 示的熱分析截面溫差圖和如圖6所示的熱分析對流矢量圖。 Velocity m/s 2 伽I *0Dck.1 wallJ 如H waU.B Z.S8918 2J5765 1.72612 -1+294E)9 U.B6306

19、U (M31530 3.02071 0.000000 圖4熱分析矢量圖 Tcniperalure C 2 3 歹/ /劇 1.8 / / urc*1 p4&te,8 / 圖5熱分析截面溫差圖 .opening* 彳八、w創(chuàng)L6 I emperature C 40.3604 37.9624 35.56A5 33.1666 30.7686 28.3707 25.9727 J.5748 圖6熱分析對流矢量圖 (2) 在300a通用功率單元完成后，其滿負荷測試數(shù)據(jù)如附表所示。 (3) 300a通用功率單元熱設計數(shù)據(jù)總結(jié) 在300a通用功率單元制作完成后，通過滿載實驗，在室溫24 C時溫度為60 C,其溫升在最初設計的 46 C 范圍內(nèi)?？紤]其是在單個實驗的條件下進行，其輸入為極好的實驗室電源，輸出直接是電阻，是一種理