多电平单元串联高压变频器功率单元的热设计 点击：529 | 回复：12
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，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。
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660v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350a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_igbt——igbt通态热损耗功率（w）；
vceo——igbt通态正向压降（v）；
ｉ1——igbt运行电流（a）；
m——正弦调制 pwm输出占空比；
cos(φ)——pwm输出功率因数；
rce——igbt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）；
ｉ1——igbt通过反向续流二极管的运行电流（a);
m——正弦调制pwm输出占空比；
cos(φ)——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_igbt——igbt开关热损耗（w）；
fs——igbt开关频率（hz）;
ｉ1——igbt运行电流（a）；
eon_igbt——igbt单次接通脉冲的能量损耗（w）；
eoff_igbt——igbt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=917.16w+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=2×pigbt_total=2×1047.27=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=6×pcond_doide=6×129.9=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=4×pigbt_total+6×pdoide_doide=2094.54+ 779.4=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=1.3×punit_total=1.3×2873.94=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*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
5.4 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 0.04
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160～180 w/m.k的良好热传导率，不过由于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76mm×309mm×640mm,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所示的热分析对流矢量图。
图4 热分析矢量图
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。
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