基于IGBT的大功率驱动器热性能研究.pdf

第 卷 年第 期 月.基于 的大功率驱动器热性能研究张琴琴 杨建宏 刘作昌 马彬彬 关兴邦(西安航天动力测控技术研究所 西安)摘 要:针对高电压、大电流的大功率工况下 频繁开关动作导致发热极其严重的问题 分析计算了 的发热情况 总结出了减小 发热的方法 设计了 的散热结构 分析了散热结构的散热性能 通过实际工况验证 证实了 热损耗估算方法的可行性、散热结构设计的科学性、散热结构散热性能热阻计算方法的合理性为高性能、高电压、大电流驱动器的研制提供了有效的借鉴和参考关键词:热损耗 散热结构 热阻计算中图分类号:文献标志码:文章编号:()():.:收稿日期:作者简介:张琴琴()女 硕士 高级工程师 研究方向为电机驱动控制 引 言 是集双极型功率晶体管和功率 的优点于一体 它是一种电压型控制器件 兼有 的高输入阻抗和 的低导通压降两方面的优点 在大功率变频器、高压大电流电机驱动器中得到了广泛应用 它作为一种开关器件 在高压大电流长时间负载运行工况中 长时间频繁的开通关断会引起 模块发热严重 导致系统无法正常工作 它作为驱动器逆变电路的核心器件 它的可靠运行直接决定着电机驱动器的可靠性和使用寿命 本文重点研究 模块在高压大电流电机驱动器应用中的热损耗计算和散热结构散热性能计算分析 热分析计算 器件损坏一般是由过流、过压、过热引起 在器件选型上基本可以解决过流、过压问题但在高压大电流长时间负载运行工况中 必然过热 这成了它的致命点 为了 安全可靠工作 必须确保其结温 不超过最大承受结温 本节分析了 的发热情况 计算了 的发热功率 热分析 模块由 本体和续流二极管 组成 它们的各自损耗将转化为热量而引起 模块发热 它们的热损耗分别由通态损耗和开关损耗组 卷成 通态损耗通过稳态输出工况特性计算 开关损耗通过集电极电流特性来计算 各损耗合计为 模块总损耗 其损耗关系如图 所示图 模块损耗关系图由图 可知 总损耗 由 本体损耗 和 内部集成续流二极管 损耗组成 本体损耗包含其稳态损耗 和开关损耗 开关损耗由其开通损耗()和关断损耗()组成 续流二极管 的热损耗包含 稳态损耗 和开关损耗()热计算 本体损耗 本体损耗中的稳态损耗主要由 在导通时的饱和电压()和 的结热阻产生 在开通状态的损耗可用式()表示 在本系统中 按最差发热工况分析 的稳态损耗用式()计算 稳态平均功耗是:()()()()在该 应用中 近似通态损耗为()()式中()为 饱和压降 查 数据表可得 为集电极电流 根据最大点计算 相电流为 由式()可得:()()本体损耗中的开关损耗主要是由于 开通和关断过程中电流 与电压 有重叠 进而产生开通损耗和关断损耗 若精确计算 需要测量开关过程 和 的波形 对其进行积分(积分时间是开通时间 或关断时间)在此 选取()计算()()的积分面积是以焦耳为单位的开关能量 开通损耗和关断损耗的计算分别见式()和式()开通损耗计算公式:()()()()()关断损耗计算公式:()()()()()本系统中 根据该驱动器的 驱动波形、驱动波形的上升沿图形、驱动波形的下降沿图形 分别如图 图 所示 由图 可得出开通、关断时间以及载波频率的关系 开通、关断时间占一个载波周期 的一小部分 利用式()和式()可近似求得 的开通损耗()和关断损耗()该驱动器载波频率为 周期为 图 驱动器驱动波形图 驱动波形的上升沿图形图 驱动波形的下降沿图形由图、图 可得 驱动波形的上升时间为 下降时间为 ()()()()()()()()期张琴琴等:基于 的大功率驱动器热性能研究则 的开关损耗为()()由 的稳态损耗和开关损耗得出 的本体损耗为 在 控制模式中 空间矢量控制 为三三导通模式 但实际开通的有效绕组只有两组占用总损耗的/即 实际损耗为 续流二极管 损耗 内部续流二极管 的损耗 包括稳态损耗 和开关损耗()续流二极管在导通状态下存在正向导通压降 其大小与通过的电流和芯片的结温有关 由于 和结热阻的存在 当有电流通过时会生成二极管在通态状态下的损耗 其稳态损耗即导通损耗如式()所示()式中 为二极管导通压降()为实际工作电流()为无效导通占空比 在 控制中 一个周期内三相绕组有效作用比为/则无效作用占比为/记作/根据 数据参数关系图 可看出 反向续流二极管工作在 附近时电压为 即 为 在实际工作中最大相电流 由此可得:图 数据参数关系图续流二极管的开关损耗主要由续流二极管恢复关断状态产生 其大小与正向导通时的电流、反向电压和芯片的结温等本身的参数有关如式()所示()/()式中 为 开关频率(载波频率)在此为 为反向续流能量 查 续流二极管的数据参数表 在 附近时 为 /为实际工作电流 为标称电流 表 续流二极管的数据参数图表 由此可得:()则续流二极管的总热损耗为 由此可得 的总损耗为()减小 发热的方法 功率模块在大功率长时间运行工况中 频繁的开关动作会产生开关损耗 势必会引起 发热 为确保其结温 不超过最大承受结温 必须减小其发热或者进行良好散热 根据 发热机理 减小 发热的方法有三种:第一 减小栅极电阻法 减小栅极电阻可加快 功率器件的开关速度 从而降低 开关损耗 该方法需要根据实验验证选取合适的栅极电阻 在快速开通关断的驱动波形在高压大电流工况下 易引发高频干扰以及米勒效应导致过压烧毁 第二 调整系统 控制参数 使设备尽可能运行稳定 减小功率电源、电流的变化量 减小功率母线电容的发热以及 内部等效电容的发热 第三 给 进行良好的散热 通常采用油冷、水冷、风冷、对流等方式 前两种方法与器件本体性能以及运行工况有关 不能彻底解决 的发热问题 在高压、大电流、长时间运行的工程应用中 多数采用第三种方法 给 模块设计散热结构对其进行良好散热 卷 散热结构设计及热阻计算根据成本及实现方式考虑 该系统选用风扇加散热器对 进行强制对流 实现强迫风冷 同时在散热器与 模块间涂抹导热硅脂 以减少接触热阻 根据热欧姆定律 只要求出散热结构热阻即可评估散热结构的散热性能 本节重点进行散热结构热阻计算 选用的散热器尺寸及形状如图 所示 通过式()计算该散热结构的热阻图 驱动器散热器的形状及尺寸 ()()式中 为散热器热阻 单位为/为散热器金属材料的导热系数 时 纯铝:(/()为散热器出风风速度 为齿宽 为齿高 为散热器齿数 为散热器截面周长 为散热器长 散热器出风风速 由风扇的风量计算 风扇风量取 /根据风量与风速的关系 式中 为风量(/)为风道截面面积()系统选用 个风扇 两个吹风 两个吸热 出风口总风量为 /可得风速为 /将各 参 数 代 入 式()求 得 散 热 器 热 阻 为 /散热性能结果分析根据 发热总功率、散热结构热阻及热欧姆定律 可知温度差等于热流量与热阻的乘积 即:()()(/)()求解得出散热结构散热器的温升为 当室温为 散热器表面最高温度可达 经实践验证 该高压大电流驱动器在功率电压、相电流、的长时间连续负载工况下 散热器表面实测最高温度为 优于 的设计指标要求 温升数据实际测量值较估算值偏大 主要是在 发热估算中 采取了近似估值法且按最大发热量计算 同时 在长时间负载工况中 负载的波动变化 集电极电流 也随之波动 并非一直处于最大 左右 该系统按最大发热分析计算 说明散热器结构设计裕度大 该散热结构可有效解决高压大电流驱动器 功率管模块散热问题 结 论本文分析计算了 的发热情况 设计了高压大电流驱动器用 功率管模块的散热结构 量化了散热结构的热阻 评估了 模块散热结构的散热性能 实践表明 热损耗分析全面、估算准确、散热结构设计科学 散热器散热性能的计算分析验证了散热结构的合理性 具有较高的参考价值为成功研制类似高电压、大电流、长时间负载工况应用的驱动器提供了可靠的数据支撑参考文献 安德烈亚斯福尔克()麦克尔郝康普().模块:技术、驱动和应用.韩金刚 译.北京:机械工业出版社:.曹威.功率变流器热损耗分析与冷却设计.北京:北京交通大学.郑文广 李世国 梁宏斌.电动汽车功率单元主动热控制.微电机 ():.苑利维 于洋 赵曾武 等.一种高效低躁长时可靠的推进电机控制系统设计.微电机 ():.田素立 赵瑞杰 邢姗姗 等.永磁同步电机电流环控制器的设计.微电机 ():.开关电源设计(第三版).王志强 肖文勋 虞龙 等译.北京:电子工业出版社:.