1、多电平单元串联高压变频器功率单元的热设计1 引言随着大功率的 igbt 器件的日益成熟，价格的不断下降，其已经成为电力电子行业的主导器件，在以 igbt 为基础制作的高压变频器也已经走向工业的各个方面。当随着能源价格的不断上涨，世界能源日渐贫乏，在建设节能型社会的理念下，大容量的变频器的需求越来越多，其大功率的 igbt 相应大量的应用。在大功率 igbt 应用中，如何保证大功率 igbt 使用中的散热效果就成为了大功率高压变频器研发中的关键点之一。在变频器设备中，大功率的 igbt 和 doide 是设备运行稳定的关键器件，其工作状态的是否稳定直接影响整个变频器的可靠性。功率器件在运行过程中
2、，由于其静态与动态的损耗，产生大量的多余热量，利用散热系统来使其发散出去。散热不良的直接后果是导致器件的运行温度过高，芯片的晶体结构发生不可逆转的破坏，轻则使运行参数偏移剧烈，在严重时导致短路引起着火、爆炸的后果。本文从工程实用角度出发，结合多电平单元串联电压源型变频器的 300a 通用功率单元子系统的研发，充分运用功率器件的热设计和散热器的工程化方法，使用现代流体计算机辅助设计的热传导分析软件和热设计技术，研制中的 300a 通用功率单元散热系统实施了热设计、热分析和热试验集成研发综合工程，满足其用 300a通用功率单元所构成的 6kv/2500kw 或 10kv/4200kw 高压变频器运
3、行中的散热需求。2 热设计理论基本简介2.1 热设计发展动态分析热设计是利用热的传递特性，通过冷却装置控制电子设备内部所有电子元器件的温度，使其在设备内所处的工作环境条件下，不超过规定的最高允许温度的设计技术。我国在热设计方面研究起步时对军用电子设备给予了高度的重视，在 1992 年 7 月颁布了国军标 gjb/z27-92电子设备可靠性热设计手册，作为热设计的基本依据； 1993 年 9 月颁布了国军标 gjb/z35-93元器件降额准则，规定了各元器件在不同应用情况下应降额的参数及其量值标准，并提供热设计和降额设计的应用指南。电子产品的热设计发展方向为：(1)冷却方案的发展由于超大功率开关
4、器件，超大规模集成电路的不断发展，其单位面积产生的热量越来越大，散热系统通道的热流密度相应越来越高，用原有常规冷却方案已无法满足散热要求，从而产生了新型的高效冷却方式在工程上的应用，例如：喷射液冷、二相流冷却、微型热管传热、模块级核沸腾换热等方案。(2)热设计层次划分热设计在发展过程中，由于其在不同环境要求下的需求，形成了元件级、电路板级、设备级三个层次系统。每一个层次系统均发展出相应的计算机工程辅助软件，能在产品研发和设计之初就进行热设计与仿真。(3)热设计系统集成从提高电力电子设备的可靠性出发，将电子产品的热设计，热分析和热测量集成为一个工程体系，应用相关的计算机辅助软件，结合独立元器件重
5、载，高温测试，利用测量结果与热设计原理分析，构成一个严谨的热设计集成系统，从而保证研发出产品的热稳定性。2.2 热电模拟法热阻是一个数学上的概念，类似于在基础物理中学到的电阻的概念。其含义是：通过物体的热流量与流过固定电阻的电流十分近似。根据傅立叶的热传导定律指出：通过物体单位面积的热流量正比垂直于等温线方向的的温度梯度。将公式进行积分后得： 将 称为热阻。根据欧姆定律，电压差产生电流。乔治-西蒙- 欧姆 (1787-1854 年) 证明了电流和电压差之间存在简单的线性关系，其公式为： 在工程中作如下对比：电流 i 热流 q 电压 v 温差t电阻 r 热阻 r 这就是热电模拟法的基本原理。3
6、热设计的要求和准则3.1 热设计的要求(1)热设计应满足电子设备最高允许的工作温度和功耗要求；(2)热设计应满足电子设备预期工作的热环境要求；(3)热设计应满足对冷却系统的限制要求；(4)热设计应符合其有关的标准、规范规定的要求。3.2 热设计流程热设计是在充分掌握各种导致热失效参数的前提下，以较少的冷却代价获得高可靠的电子设备，一个标准的热设计流程将会极大提高热设计的效率，并减少热设计失误的概率。标准的热设计流程如图 1 所示。图 1 标准的热设计流程 3.3 在 300a 变频器通用功率单元的具体原则在热设计中，在遵守以上要求和准则的基础上，针对高压变频器的具体特点，制定在工作中必须遵守的
7、总原则：(1)第一原则在研发中，所有关键参数必须有相应的数学运算与仿真进行验证。关键参数是设备研发的灵魂，其准确与否关系着研发项目的成败。(2)第二原则在研发中，必须保证高压变频器的稳定性。研发使用的元件说明文件必须保证齐全准确。在研发工作过程中，不允许出现任何影响设备稳定性的设计。当与其它要求冲突时，必须以稳定性为优先考虑。(3)第三原则在研发中，充分考虑降低生产制造时的成本要求。降低设备的生产成本，就是加大设备的利润，在保证第一和第二原则基础的前提下，使用各种研发技术方法降低设备生产的成本。(4)第四原则在研发中，充分考虑加工，安装，检测，维修的工艺。(5)第五原则在研发中，在保证以上原则
8、的基础上，应用紧凑设计思想，尽可能减小研发设备的体积。(6)第六原则对于昂贵的工业设备，在满足技术要求的前提下，保证外观的漂亮，将各种标识，窗口，安装结构与艺术相结合，达到赏心悦目的标准。4 高压变频器 300a 功率单元的应用参数与初步运算4.1 功率单元原理图与功率器件的型号功率单元原理图如图 2 所示：图 2 功率单元原理图 由原理图可看出，高压变频器功率单元的主回路中半导体功率元件为 10 只，其中 igbt 是 4 只，二极管是6 只。4.2 300a 通用功率单元功率器件型号的确定通过对变频器系统参数的整体分解后，对功率单元的研发目标是输出有效电流值为 300a，有效电压值为660
9、v 的正弦调制的 pwm 波。(1)igbt 型号的确定根据输出参数要求，确定 igbt 的容量：基波电流峰值： 在三次谐波加入后的尖峰值：经计算得 igbt 最小容量为 551.46a,根据 igbt 型号选择表，对应选择 600a，1700v 的 igbt，选用 eupec 公司的 fz600r17ke3 做为 300a 通用功率单元的型号。(2)二极管型号的确定300a 通用功率单元是三相输入，二相输出，其运行电压相同，其输入电流根据二相对应三相的恒功率变换计算得：基波电流值：输入回路是三相全波整流电路，元件额定电流选择为：经计算，二极管的容量为 294.44a，根据元件选择表，选择 3
10、50a 电流的二极管，选用 eupec 公司的dd350n 做为 300a 通用功率单元的型号。4.3 300a 通用功率单元 igbt 功率器件热损耗计算(1)igbt 通态损耗计算式中：pcond_igbtigbt 通态热损耗功率（ w）；vceoigbt 通态正向压降（v）；1igbt 运行电流（a）；m正弦调制 pwm 输出占空比；cos()pwm 输出功率因数；rceigbt 结热阻（k/w）。(2)续流二极管通态损耗计算pcond_diode反向续流二极通态热损耗功率（w ）；vto反向继流二极管通态正向压降（v）；1igbt 通过反向续流二极管的运行电流（a);m正弦调制 pwm
11、 输出占空比；cos()pwm 输出功率因数；rt二极管结热阻(k/w)。(3)igbt 开关损耗计算式中：pon+off_igbtigbt 开关热损耗（ w）；fsigbt 开关频率（hz）;1igbt 运行电流（a）；eon_igbt igbt 单次接通脉冲的能量损耗（ w）；eoff_igbtigbt 单次关断脉冲的能量损耗（w）。(4)继流二极管关断损耗计算式中：psw_diode续流二极管开关热损耗（w ）；fs二极管关断频率（ hz）；eoff_doide二极管单次关断脉冲的能量损耗（w）。(5)根据以上公式计算，得单只 igbt 的损耗总功率为pigbt_total=917.16
12、w+79w+37.26w+13.85w=1047.27w式中： pigbt_total带续流二极管的 igbt 模块总计热损耗（w）。4.4 用四只 igbt 搭成 h 桥形输出正弦调制 pwm 波是属于对管互锁开通拓朴,故其总损耗热功率为:pigbt_h=2pigbt_total=21047.27=2094.54 (w)式中：pigbt_h用四只 igbt 组成 h 桥逆变输出 pwm 波时的总计热损耗（w）。4.5 300a 通用功率单元全桥整流二极管热损耗功率功率单元前侧是不可控全桥二极管整流电路，其属于三相正弦自然换流整流系统，其二极管的开通和关断均在自然换相点完成，其热损耗较小，且由
13、于在工频下运行，其开关损耗远远小于通态耗损，故在工程计算中只计算通态损耗：(1)单只二极管工频状态热损耗式中：pd工频全桥整流二极管开关热损耗（w）；f二极管关断频率（ hz)；wp二极管通态能量损耗(w)；id二极管通态平均电流(a)；vd二极管通态压降(v)；td二极管通态导通时间(s)。(2) 用 6 只二极管组在成的全桥整流器的热损耗的总功率为pdoide_total=6pcond_doide=6129.9=779.4 (w)。4.6 300a 通用功率单元功率器件热损耗总功率为punit_total=4pigbt_total+6pdoide_doide=2094.54+ 779.4=
14、2873.94 (w) 5 300a 通用功率单元散热器的选择5.1 300a 功率单元散热器应具有的热沉功率确定为在运行中考虑到不同环境,不同地域的不同散热, 故增加 1.3 倍安全系数，得出 300a 功率单元的热沉功率为：punit_heat=1.3punit_total=1.32873.94=3736.122(w)5.2 散热器选择的计算公式(1) 散热器内阻式中： rtf散热器热阻( /w)；tj半导体器件结温()；ta环境温度 ()；pc半导体器件使用功率(w) ；rtj半导体器件内热阻(/w) ；rtc半导体器件与散热器界面间的界面热阻( /w)；(2) 散热器温升tfa=rtf
15、*pc式中：tfa 散热器温升 ()；5.3 计算 300a 通用功率单元散热器的温升(1)计算最大总热阻参数采集：fz600r17ke3 运行结温 120，变频器运行环境最高温度：40 变频器功率单元热损耗 3736.122w/w5.4 计算散热器热阻参数采集:fz600r17ke3 结到壳热阻 0.04 ; 壳到散热器内阻 0.045.5 计算散热器温升5.6 散热器结构的确定(1) 散热器选择在电力电子散热型材中，铝散热器具有重量轻，散热好，价格低的特点，在变频器散热器中应用最为广泛，在国内铝挤型材料为 ld31(aa6063)，其具有 160180 w/m.k 的良好热传导率，不过由于
16、受到本身材质的限制散热鳍片的厚度和长度之比不能超过 1：18。 在本研发中，为缩小变频器功率单元体积，散热器热沉效果要达到 4241w，用 2.0mm 散热鳍片为1：33 ，已没有标准的型材采用，故选用高散热性能的插片式散热器。(2) 散热器的结构根据三维立体结构图，为散热器放置空间为 76mm309mm640mm,根据散热器厂家的资料，研发散热器结构如图 3 所示：图 3 300a 通用功率单元立体图 6 300a 通用功率单元散热设计的热沉效果(1)在散热器进行结构设计时，用相关的热分析行业软件进行仿真，得到如图 4 所示的热分析矢量图，如图 5 所示的热分析截面温差图和如图 6 所示的热
17、分析对流矢量图。图 4 热分析矢量图图 5 热分析截面温差图图 6 热分析对流矢量图(2)在 300a 通用功率单元完成后，其满负荷测试数据如附表所示。(3)300a 通用功率单元热设计数据总结在 300a 通用功率单元制作完成后，通过满载实验，在室温 24时温度为 60，其温升在最初设计的46范围内。考虑其是在单个实验的条件下进行，其输入为极好的实验室电源，输出直接是电阻，是一种理想的工作环境。而在实际运行中，由于其处于一个高谐波环境，其谐波温升应为 10，加入谐波后的散热器温升为：t=60-24+10=46其温升满足 igbt 和二极管对热运行环境的要求。 7 结束语在大功率的电力电子设备
18、中，采用相应的散热系统将大功率半导体器件产生的热量发散出去，保证大功率电力设备的热安全。大功率半导体器件处于安全的工作范围内运行，关系着设备研发的成败。在研发失败的大功率电力电子设备中，由于散热系统的失误，功率半导体器件处于安全温度以上的环境运行，会出现损坏、失损、爆管等严重事故。原来的工程设计单纯凭经验粗选散热器，没有对散热器进行精密运算和仿真，这样导致散热器过盈或不足。散热器过盈则制作成本增加，体积庞大。散热器不足则使功率器件不能有效的发散热量，则使功率器件结温升高，大大降低器件运行的可靠性，降低半导体功率器件的寿命。严重时将损坏器件，使研发设备不能投入运行。故在工程设计中，凭经验选择散热器都倾向采用大余量设计，有些设计的余量大的惊人。在本文中，在热设计理论研究的基础上，采用热分析计算功率器件热损耗功率，功率器件与散热器的热阻。根据目标参数计算出散热器的热阻，进行散热器的选型。在选型后，采用热分析软件进行仿真验证。通过以上热设计流程研发出的 300a 通用功率单元，在满载测试时其测试出数据符合原研发要求，故此热设计流程在研发中具较大的应用价值。
