2MW风电变桨伺服驱动器IGBT损耗计算及散热系统设计

提出了一种比较准确且实用的计算IGBT模块通态损耗和开关损耗的可行方法,在计算出IGBT模块损耗后,利用热阻等效电路法推导得出了IGBT模块及散热器各点温度的计算公式,并给出了散热器热阻的经验计算公式。在此基础上设计了一款2 MW风电变桨伺服驱动器的散热系统,建立了实验电路,并测量了散热器的实际工作温度,与计算结果进行对比,从而证明了设计的合理性。     

大功率逆变器散热设计

本文研究了大功率逆变器中IGBT模块的散热设计。大功率IGBT模块在功率变换系统、无功补偿系统等领域有着广泛的应用,随着系统尺寸重量向着轻小化方向发展,IGBT模块单位体积内的散热量越来越高,严重危害了系统的稳定运行,因而对IGBT模块的热分析、热管理成为大容量IGBT技术发展的重要研究方向。本文提供了一整套的散热设计方法:首先对IGBT模块在实际工作电压电流下的损耗进行了分析计算,接下来提出了一种考虑IGBT模块内NTC热敏电阻的新型等效热路图,通过该等效热路图可较快速准确地进行结温以及热阻的计算,最后利用ANSYS的Design Xplorer模块对影响散热器热阻的关键参数进行了定量分析,并对散热系统的散热效果进行了仿真和试验分析,证明散热设计的准确性。     

变频器中的IGBT模块损耗计算及散热系统设计

提出了一种设计变频器散热系统的实用方法,建立了比较准确且实用的变频器中IGBT(绝缘栅型双极晶体管)模块的通态损耗和开关损耗的计算方法,考虑了温度对各种损耗的影响,采用热阻等效电路法推导得出了散热器及功率器件各点温度的计算公式,并给出了散热器热阻的实用计算公式.在此基础上设计了一套采用强迫风冷的散热系统,计算结果与试验结果的对比,验证了该设计方法的合理性与实用性.     

脉冲电源水冷散热设计及有限元分析

针对大功率脉冲电源中IGBT模块瞬时发热量大的问题,提出了一套水冷散热解决方案。给出了IGBT模块损耗的快捷估算方法,详细分析了IGBT的散热途径。推导出了IGBT的热阻模型和水冷条件下散热器的热阻折算方案。利用仿真软件ANSYS建立了热分析模型,通过模拟脉冲电源工作时的热场状况对散热系统进行了优化。最后,在此通过搭建100 kW脉冲电源样机验证了该优化方案的实用性和有效性。     

电动飞机电机控制器风冷散热结构的计算与改进

根据电动飞机的飞行剖面,建立了电机控制器的系统损耗及IGBT模块的热阻网络模型,对电机控制器IGBT模块的温度进行计算。以轻量小型化为目标,对电机控制器的散热结构进行了改进。MATLAB/Simulink系统仿真试验和地面台架样机试验结果表明:改进的风冷散热器能够满足电动飞机电机控制器的散热需求,且重量降低5%。     

风电变流器IGBT散热性能研究

风电变流器设计中,IGBT的散热设计非常关键,介绍了一种适用于风电变流器工程应用的IGBI损耗的理论计算方法,并建立了准确的数学模型。针对风电变流器应用环境的差异性以及不同类型散热器的固有热阻属性,通过flotherm仿真软件搭建普通散热器与热管散热器的仿真模型,仿真对比了不同散热器散热能力的差异。最后,通过实验验证了该设计方法的合理性和实用性,为风电变流器IGBT散热器与散热系统设计提供了重要的参考依据。     

MMC-HVDC系统功率器件的结温估算研究

柔性直流输电系统采用模块化多电平结构,包含数量庞大的半桥功率模块,此处提出了一种功率模块器件的损耗与结温估算方法.首先研究了半桥功率模块的功率损耗计算方法,并根据功率模块内含绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、二极管、散热器的布局,建立功率器件级的热阻模型.然后,由于IGBT为密封器件,无法直接测量器件内部温度,通过测量与之压接相连散热器的表面壳温来间接推导器件结温.最后,开展了功率模块的加载实验工作,所述结温估算方法的仿真与实验结果基本一致.     

一种IGBT接触热阻的估算方法

电动汽车电机控制器的关键模块IGBT由于集成度高、发热量大,容易烧毁,亟需对其散热结构进行仿真分析与结构优化。对IGBT散热结构的仿真分析,必须先确定所需的几何物理边界条件和热物性边界条件,其中IGBT与散热器之间的接触热阻是关键的参数之一。但接触面的导热硅脂涂层的热特性及IGBT模块与散热器的接触情况并不明确,为此建立了黑匣子模型,采用黑匣子逼近试算的热仿真分析方法,通过实验和FLUENT软件热仿真对比的手段成功地估算出了黑匣子的导热系数,并进一步验证了估算得到的接触热阻的合理性,为以后的仿真和优化分析奠定了基础。     

间歇式工作的大功率有轨电车充电模块热设计

随着新型储能式有轨电车的推广,大功率充电装置的功率密度越来越高,为解决间歇式工作模式下充电模块散热系统评估手段缺乏的问题,介绍了一种间歇工作模式下大功率有轨电车充电模块的散热系统设计方法.通过计算充电模块工作的功率损耗、热阻需求来进行风扇和散热器选型,阐述了针对间歇式工作的大功率充电模块的散热系统设计方法,采用Flotherm软件进行了热仿真,最后通过试验验证了热设计方法的可行性.     

直流升压斩波模块液冷散热系统的研究

针对直流升压斩波电路中功率模块的散热问题,提出一种在工程设计上简单实用的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)功率损耗的计算方法,该方法包含基于相似理论的液冷散热系统的热路等效热阻求解公式,以及一种直流升压斩波模块液冷散热系统的一、二次冷却结构参数设计方法,解决了IGBT冷却系统参数难设计的问题。实验以DYNEX的DIM800ECM33-F000型IGBT液冷散热系统设计为例,依此方法得到理论结果,按照此结果设计的散热系统在现场运行情况良好,证明此设计方法切实有效。     

压接IGBT器件并联子模组热阻分布实验研究

在刚性压接型IGBT模块中,并联芯片的压力分布直接决定了接触热阻和接触电阻的大小。通常无法测量器件正常工作时的压力分布及其引起的热阻分布。为了分析压接IGBT模块内部各子模组的压力分布情况和热阻分布情况,提出一种利用器件特性和热阻实验测量压接IGBT模块并联子模组热阻分布的方法。在此方法基础上,详细研究不同压力和电流条件下的热阻分布。实验结果表明,由于外部压力、器件特性和连接导体的差异,压接IGBT模块内部并联子模组间的结温、电流和热阻分布具有很大的分散性。提出的测量方法可以有效验证压接IGBT模块在一定封装条件下的结温、热阻和压力分布特性。     

压接IGBT器件并联子模组热阻分布实验研究

在刚性压接型IGBT模块中,并联芯片的压力分布直接决定了接触热阻和接触电阻的大小。通常无法测量器件正常工作时的压力分布及其引起的热阻分布。为了分析压接IGBT模块内部各子模组的压力分布情况和热阻分布情况,提出一种利用器件特性和热阻实验测量压接IGBT模块并联子模组热阻分布的方法。在此方法基础上,详细研究不同压力和电流条件下的热阻分布。实验结果表明,由于外部压力、器件特性和连接导体的差异,压接IGBT模块内部并联子模组间的结温、电流和热阻分布具有很大的分散性。提出的测量方法可以有效验证压接IGBT模块在一定封装条件下的结温、热阻和压力分布特性。     

计及焊层疲劳影响的风电变流器IGBT模块热分析及改进热网络模型

针对不同疲劳寿命时期对风电变流器绝缘栅双极型晶闸管(IGBT)模块结温的影响,分析焊层在不同脱落度下的IGBT模块热阻变化规律,并建立考虑热阻变化的改进热网络模型。首先,依据风电机组变流器IGBT模块的结构和材料属性,建立三维有限元热-结构耦合分析模型,对基板焊层和芯片焊层在不同脱落度下IGBT模块结温和热应力的分布规律进行仿真分析。其次,确定不同焊层脱落度下其热阻增量值,并建立IGBT模块改进热网络模型。最后,将三维有限元模型和改进热网络模型的结温计算结果进行对比分析,验证了所提的改进热网络模型的有效性。     

三相电压源逆变器内部IGBT模块温度的求解及评估

三相电压源逆变器的工作性能、使用寿命等方面均与其内部绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块温度直接相关,故求解及评估该逆变器中IGBT模块的温度对于确保逆变器系统的安全可靠运行具有重要意义。针对现有模型及方法难以求解IGBT模块温度的问题,本文借鉴直接法的思想,提出了一种新的简单实用的IGBT模块温度求解算法。基于拟合及插值算法,推导并建立了IGBT模块功率损耗模型;基于电热比拟理论,探讨并建立了集中参数的IGBT模块等效Cauer传热网络模型,并将传热微分方程差分化;最终,在同一电路仿真器中构建出IGBT模块温度的求解算法。在三相电压源逆变器的算例中,通过与英飞凌IPOSIM的温度计算结果对比,表明本文算法最大误差为3.01%,且温度变化趋势与IPOSIM基本一致,最后利用该算法评估了逆变器在不同负载工况下的IGBT模块温度,所得结果可为合理地进行三相电压源逆变器的散热设计、长期可靠性评估等服务。     

IGBT模块的热设计概述

对IGBT模块的热特性和热设计进行概述,介绍IGBT模块的热阻抗网络模型及其与封装材料热性能及尺寸的关系;从芯片和模块封装材料、结构等方面讨论模块的热设计要点,并阐述传统IGBT模块及新型压接式IGBT模块的热设计。     

IGBT模块的热设计概述

对IGBT模块的热特性和热设计进行概述,介绍IGBT模块的热阻抗网络模型及其与封装材料热性能及尺寸的关系;从芯片和模块封装材料、结构等方面讨论模块的热设计要点,并阐述传统IGBT模块及新型压接式IGBT模块的热设计。     

基于电-热耦合模型的IGBT模块结温计算方法

温度循环下的疲劳累计损伤是IGBT模块失效的主要原因,计算IGBT模块的结温对预测其寿命具有重要意义。为了研究IGBT模块工作过程中结温变化情况,首先通过计算IGBT和FWD的功率损耗建立了IGBT模块电模型,然后在分析IGBT模块热传导方式的基础上建立了IGBT模块热模型,进而基于电模型和热模型建立了IGBT模块的电-热耦合模型,最后以三相桥式逆变器为例对IGBT和FWD的结温进行了仿真分析。结果表明,由于IGBT和FWD处于开关状态,两者的结温波形均呈波动形状,且波动均值经过短时间上升后稳定于一恒定值,所以逆变器用IGBT模块开始工作后经短时间的热量积累最终达到热稳定状态;由于IGBT的开关损耗比FWD大,使得IGBT结温受开关频率的影响较大。     

高功率密度电机控制器的IGBT模块损耗及结温计算

为设计可靠性高的高功率密度电机控制器,计算绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块的损耗和结温至关重要。以某电动汽车用高功率密度电机控制器为研究对象,分析了利用数据手册计算IGBT模块损耗和结温的方法,利用FLUENT软件计算出实际冷却水温度下的热阻值,解决了数据手册中热性能数据不完善的问题。基于Matlab软件的M语言开发了损耗及结温计算程序,可以计算出不同工况下的损耗和结温等重要参数,为电机控制器的热设计提供指导。