2017-06-20 16:20:13




1 引言

  高壓變頻器是一種交流電氣傳動控製設備,它可以通過改變電機的工作頻率和電壓來控製交流電動機的運行。它主要由整流部分、逆變部分和控製部分組成。最終變頻器對輸出電壓和頻率進行調節,從而達到調速和節能的目的。

  功率單元模塊IGBT作為變頻器的核心器件,其自身的工作特性使其具有極高的發熱特點,在運行過程中約有1.5%左右的有功功率轉化為熱能,這部分熱量會使功率器件內部晶圓的結溫持續升高。若不能及時有效的將此部分熱量釋放到空氣中,不僅會降低設備的可靠性,甚至會損壞器件導致設備無法正常運行。在高壓變頻器小型化及低成本的趨勢下,     提升IGBT自身的利用率和需求功率單元的體積越來越小,都使得散熱問題更加棘手。在有限的空間內來實現IGBT的有效散熱成為高壓變頻器散熱設計的核心。

  本文通過FloEFD軟件對高壓變頻器功率單元使用的散熱器進行仿真分析,並通過實測,驗證了FloEFD軟件分析電力電子設備散熱設計的可行性及可靠度。軟件的先前仿真,對於優化散熱結構的設計提供了有效的技術方法。




2 仿真原理及方案設計

2.1 仿真原理

  FloEFD是無縫集成於主流三維CAD軟件中的高度工程化的通用流體傳熱分析軟件,它基於當今主流CFD軟件都廣泛采用的有限體積法(FVM)開發,其分析步驟包括數字化CAD模型的簡化及建立、局域化及整體的網格劃分、邊界條件的施加、求解和後處理等。CFD仿真軟件的基本思想是將原來在時間域和空間域上連續的物理量,用有限個離散點上的變量值集合來代替,通過一定原則建立起關於這些離散點上場變量間關係的代數方程組,進行求解後獲得場變量的近似值。熱設計問題本質在於定量描述熱現象,高壓變頻器IGBT功率單元的散熱設計可通過湍流模型描述。CFD仿真基本理論為:電力電子設備的散熱設計屬於不可壓縮、常物性、無內熱源的三維對流傳熱問題,結合傳熱學和流動動力學基本理論,得出描述該問題的微分方程組。

  任何流動問題都必須滿足三大基本方程組,即質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程。質量守恒及動量守恒方程是描述粘性流體過程的控製方程,適用於不可壓縮粘性流體的層流及湍流流動。




  對於一個實際換熱問題,借助軟件實現仿真的前提是獲取物理模型參數,如模型外形尺寸、關鍵器件尺寸、熱源尺寸及分布、接觸熱阻、熱管尺寸及熱阻、各個材料屬性、邊界條件的環境參數等。




2.2 高壓變頻器IGBT功率單元熱仿真實例

(1)IGBT封裝的結構組成

  在一個IGBT模塊裏,數個功率半導體芯片(IGBT芯片以及Diode芯片)被集成到一塊共同的底板上,且模塊的功率器件與其安裝表麵(散熱板)相互絕緣。這些芯片的底麵被焊接於(或被粘貼於)一塊絕緣基片的金屬化表麵上。該絕緣基片的作用是在保證良好導熱性能的同時還提供了相對於模塊底板的電氣絕緣。芯片的上表麵被金屬化,它的電氣連接可以采用細的鋁製鍵接線用鍵接的方式來實現。

  如圖1所示,為FF450R17ME4模塊內部細節圖。在進行熱仿真的前期模型處理時,需詳細搭建內部晶圓的尺寸及布局。對於模型主要部分,如銅基板、DBC、覆銅板、晶圓和封裝外殼,都是不可省略的部分。我們常發現,一些散熱器廠家簡單的用一個封裝銅基板大小的麵熱源進行仿真計算,這種方法是完全錯誤的。這樣計算將使熱流密度和擴散熱阻很大程度上的削減,使得實際溫度會明顯高於仿真溫度。

  如圖2所示,為IGBT模塊內部結構的詳細示意圖,在仿真過程中,需詳細考慮各個組成部分的材質、熱阻及熱容,使得仿真結果更加準確。







圖1- FF450R17ME4模塊內部細節圖










圖2-IGBT模塊內部結構的詳細示意圖




(2)設計案例背景介紹

  案例介紹的功率單元采用常用的兩個FF450R17ME4模塊,常規使用時,通常按模塊利用率50%進行選型,即輸出電流為225A。為提高單個功率單元模塊的利用率來降低模塊及整機的成本,業內一些廠家已將利用率提高到66%。功利用率的提高,關鍵點在於如何有效的對IGBT單元進行合理和有效的散熱。

  功率單元在使用兩個FF450R17ME4模塊達到66%利用率的額定工況時,IGBT輸出頻率50Hz,開關頻率650Hz,功率因素0.9,單元輸出電流為297A,單個IGBT芯片損耗為78.7W,單個Diode芯片損耗為23.4W。

  參考業內針對過載方麵的標準,均為每10min內可允許120% 過載,過載時間為持續1min。按1.2倍過載,單元輸出電流為356.4A,單個IGBT芯片損耗為102W,單個Diode芯片損耗為28.9W。  

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