高壓變頻器是一種交流電氣傳動(dòng)控制設(shè)備，它可以通過(guò)改變電機(jī)的工作頻率和電壓來(lái)控制交流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。它主要由整流部分、逆變部分和控制部分組成。最終變頻器對(duì)輸出電壓和頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到調(diào)速和節(jié)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(fā)熱特點(diǎn)，在運(yùn)行過(guò)程中約有1.5%左右的有功功率轉(zhuǎn)化為熱能，這部分熱量會(huì)使功率器件內(nèi)部晶圓的結(jié)溫持續(xù)升高。若不能及時(shí)有效的將此部分熱量釋放到空氣中，不僅會(huì)降低設(shè)備的可靠性，甚至?xí)p壞器件導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行。在高壓變頻器小型化及低成本的趨勢(shì)下，     提升IGBT自身的利用率和需求功率單元的體積越來(lái)越小，都使得散熱問(wèn)題更加棘手。在有限的空間內(nèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)IGBT的有效散熱成為高壓變頻器散熱設(shè)計(jì)的核心。

　　本文通過(guò)FloEFD軟件對(duì)高壓變頻器功率單元使用的散熱器進(jìn)行仿真分析，并通過(guò)實(shí)測(cè)，驗(yàn)證了FloEFD軟件分析電力電子設(shè)備散熱設(shè)計(jì)的可行性及可靠度。軟件的先前仿真，對(duì)于優(yōu)化散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了有效的技術(shù)方法。

2 仿真原理及方案設(shè)計(jì)

2.1 仿真原理

　　FloEFD是無(wú)縫集成于主流三維CAD軟件中的高度工程化的通用流體傳熱分析軟件，它基于當(dāng)今主流CFD軟件都廣泛采用的有限體積法（FVM）開(kāi)發(fā)，其分析步驟包括數(shù)字化CAD模型的簡(jiǎn)化及建立、局域化及整體的網(wǎng)格劃分、邊界條件的施加、求解和后處理等。CFD仿真軟件的基本思想是將原來(lái)在時(shí)間域和空間域上連續(xù)的物理量，用有限個(gè)離散點(diǎn)上的變量值集合來(lái)代替，通過(guò)一定原則建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上場(chǎng)變量間關(guān)系的代數(shù)方程組，進(jìn)行求解后獲得場(chǎng)變量的近似值。熱設(shè)計(jì)問(wèn)題本質(zhì)在于定量描述熱現(xiàn)象，高壓變頻器IGBT功率單元的散熱設(shè)計(jì)可通過(guò)湍流模型描述。CFD仿真基本理論為：電力電子設(shè)備的散熱設(shè)計(jì)屬于不可壓縮、常物性、無(wú)內(nèi)熱源的三維對(duì)流傳熱問(wèn)題，結(jié)合傳熱學(xué)和流動(dòng)動(dòng)力學(xué)基本理論，得出描述該問(wèn)題的微分方程組。

　　任何流動(dòng)問(wèn)題都必須滿(mǎn)足三大基本方程組，即質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程。質(zhì)量守恒及動(dòng)量守恒方程是描述粘性流體過(guò)程的控制方程，適用于不可壓縮粘性流體的層流及湍流流動(dòng)。

　　對(duì)于一個(gè)實(shí)際換熱問(wèn)題，借助軟件實(shí)現(xiàn)仿真的前提是獲取物理模型參數(shù)，如模型外形尺寸、關(guān)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(gè)材料屬性、邊界條件的環(huán)境參數(shù)等。

2.2 高壓變頻器IGBT功率單元熱仿真實(shí)例

（1）IGBT封裝的結(jié)構(gòu)組成

　　在一個(gè)IGBT模塊里，數(shù)個(gè)功率半導(dǎo)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面（散熱板）相互絕緣。這些芯片的底面被焊接于（或被粘貼于）一塊絕緣基片的金屬化表面上。該絕緣基片的作用是在保證良好導(dǎo)熱性能的同時(shí)還提供了相對(duì)于模塊底板的電氣絕緣。芯片的上表面被金屬化，它的電氣連接可以采用細(xì)的鋁制鍵接線(xiàn)用鍵接的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　如圖1所示，為FF450R17ME4模塊內(nèi)部細(xì)節(jié)圖。在進(jìn)行熱仿真的前期模型處理時(shí)，需詳細(xì)搭建內(nèi)部晶圓的尺寸及布局。對(duì)于模型主要部分，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(fā)現(xiàn)，一些散熱器廠家簡(jiǎn)單的用一個(gè)封裝銅基板大小的面熱源進(jìn)行仿真計(jì)算，這種方法是完全錯(cuò)誤的。這樣計(jì)算將使熱流密度和擴(kuò)散熱阻很大程度上的削減，使得實(shí)際溫度會(huì)明顯高于仿真溫度。

　　如圖2所示，為IGBT模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)的詳細(xì)示意圖，在仿真過(guò)程中，需詳細(xì)考慮各個(gè)組成部分的材質(zhì)、熱阻及熱容，使得仿真結(jié)果更加準(zhǔn)確。

圖1- FF450R17ME4模塊內(nèi)部細(xì)節(jié)圖

圖2-IGBT模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)的詳細(xì)示意圖

（2）設(shè)計(jì)案例背景介紹

　　案例介紹的功率單元采用常用的兩個(gè)FF450R17ME4模塊，常規(guī)使用時(shí)，通常按模塊利用率50%進(jìn)行選型，即輸出電流為225A。為提高單個(gè)功率單元模塊的利用率來(lái)降低模塊及整機(jī)的成本，業(yè)內(nèi)一些廠家已將利用率提高到66%。功利用率的提高，關(guān)鍵點(diǎn)在于如何有效的對(duì)IGBT單元進(jìn)行合理和有效的散熱。

　　功率單元在使用兩個(gè)FF450R17ME4模塊達(dá)到66%利用率的額定工況時(shí)，IGBT輸出頻率50Hz，開(kāi)關(guān)頻率650Hz，功率因素0.9，單元輸出電流為297A，單個(gè)IGBT芯片損耗為78.7W，單個(gè)Diode芯片損耗為23.4W。

　　參考業(yè)內(nèi)針對(duì)過(guò)載方面的標(biāo)準(zhǔn)，均為每10min內(nèi)可允許120% 過(guò)載，過(guò)載時(shí)間為持續(xù)1min。按1.2倍過(guò)載，單元輸出電流為356.4A，單個(gè)IGBT芯片損耗為102W，單個(gè)Diode芯片損耗為28.9W。  

圖3-單個(gè)IGBT和Diode的封裝熱阻和耐受溫度

（3）熱管散熱器仿真設(shè)計(jì)

　　散熱器的材質(zhì)為AL1060，翅片厚度1.2mm，齒間距2.5mm，散熱器整體尺寸為330mm（L）*240mm（W）*93mm（H），熱管采用直徑為9mm的熱管，熱管和散熱器通過(guò)Hi-Connector工藝進(jìn)行緊配，如圖4所示。

　　仿真模型詳細(xì)建模散熱器、熱管及IGBT內(nèi)部封裝，邊界條件為散熱器出風(fēng)口平均風(fēng)速5m/s，環(huán)境溫度40℃，海拔為1000m以下。

圖4-散熱器仿真模型

（4）額定穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果

　　在IGBT穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下，環(huán)境溫度40℃，進(jìn)風(fēng)風(fēng)速5m/s，IGBT芯片最高Tj=94.6℃，最高Tc=86.7℃，散熱器壓降197Pa。IGBT芯片結(jié)溫均小于工作允許的結(jié)溫Tj=150℃。

圖5- IGBT銅基板表面最高溫度Tc

圖6- IGBT芯片最高溫度Tj

圖7-穩(wěn)態(tài)時(shí)芯片溫度曲線(xiàn)

（5）過(guò)載瞬態(tài)仿真結(jié)果

　　額定穩(wěn)態(tài)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)，單個(gè)IGBT芯片損耗為78.7W，單個(gè)Diode芯片損耗為23.4W。過(guò)載工況為每個(gè)芯片每10min內(nèi)可允許120% 過(guò)載，過(guò)載時(shí)間為持續(xù)1min，允許連續(xù)出現(xiàn)過(guò)載，即1H內(nèi)出現(xiàn)6次1.2倍過(guò)載。按1.2倍過(guò)載，單元輸出電流為356.4A時(shí)，單個(gè)IGBT芯片損耗為102W，單個(gè)Diode芯片損耗為28.9W。

　　圖8為1.2倍過(guò)載瞬態(tài)分析中，對(duì)IGBT芯片最高溫度的監(jiān)控曲線(xiàn)。從曲線(xiàn)可以看出，芯片在過(guò)載后第60s達(dá)到溫升最高值，隨后過(guò)載結(jié)束溫度下降，在第450s左右，溫度可以降到與穩(wěn)態(tài)時(shí)溫度一致。每次瞬態(tài)1.2倍過(guò)載均不會(huì)導(dǎo)致芯片最高溫度有相對(duì)升高，說(shuō)明10min內(nèi)一次過(guò)載1min，有足夠的時(shí)間使過(guò)載溫度下降到穩(wěn)態(tài)溫度，不會(huì)因持續(xù)過(guò)載導(dǎo)致芯片最高溫度疊加升高。

圖8- 1.2倍過(guò)載瞬態(tài)時(shí)芯片溫度曲線(xiàn)

（6）測(cè)試數(shù)據(jù)

　　熱電偶埋在IGBT銅基板底部，熱電偶通過(guò)SatlonD3和催化劑606緊固在散熱器基板上，測(cè)試點(diǎn)為仿真溫度最高的IGBT芯片正下方。

圖9-IGBT正下方銅基板測(cè)試點(diǎn)示意圖01

圖10-IGBT正下方銅基板測(cè)試點(diǎn)示意圖02

　　模塊測(cè)試風(fēng)速按5m/s，與仿真風(fēng)速一致。測(cè)試時(shí)環(huán)境溫度20℃，測(cè)試點(diǎn)1為IGBT模塊的Tc溫度（殼溫），最高值為69℃，溫升49℃。

　　仿真得到的模塊最高殼溫Tc=86.7℃，溫升為46.7℃。仿真誤差為5%以?xún)?nèi)，可以接受。說(shuō)明仿真數(shù)據(jù)可以評(píng)估方案可行性及決定是否需要進(jìn)行打樣。

圖11-熱電偶監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度

3 結(jié)論

　　對(duì)于電力電子設(shè)備的散熱設(shè)計(jì)問(wèn)題，采用基于FloEFD分析的散熱設(shè)計(jì)方法能較準(zhǔn)確的評(píng)估實(shí)際工況中的溫度、速度和壓力場(chǎng)的分布，從而幫助設(shè)計(jì)人員快速確定最佳設(shè)計(jì)方案。能有效指導(dǎo)產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)，前期規(guī)避熱失效的風(fēng)險(xiǎn)，提高產(chǎn)品可靠性及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)可以縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本。

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