变频器中的IGBT模块损耗计算及散热系统设计

2009年3月 第24卷第3期 电工技术学报 TRANSACTIONSOFCHINAELECTROTECHNICALSOCIETY V01．24No．3 Mar． 2009 变频器中的IGBT模块损耗计算及 散热系统设计 胡建辉 李锦庚 邹继斌 谭久彬 (哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院 哈尔滨 150001) 摘要 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MATCH_ word word文档格式规范word作业纸小票打印word模板word简历模板免费word简历 _1715963162424_1，并给出了散热器热阻的 实用 计算公式 六西格玛计算公式下载结构力学静力计算公式下载重复性计算公式下载六西格玛计算公式下载年假计算公式 ．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． 关键词：变频器 损耗 热阻 散热系统 中图分类号：TM465 LossesCalculationofIGBTModuleandHeatDissipationSystem DesignofInverters HuJianhuiLiJingengZouJibinTanJiubin (HarbinInstituteofTechnologyHarbin150001 China) AbstractApracticalmethodtodesigntheheatdissipationsystemoftheinverterispresented． Byconsideringtheeffectofjunctiontemperatureonthelosses，theconductinglossesandtheswitching lossesoftheIGBTmoduleusedintheinverterarecalculated．Aheatresistanceequivalentcircuitofthe heatdissipationsystemispresented；apracticalformulatocalculatetheheatresistanceofheat dissipationsystemisobmined，andthetemperaturecalculationformulasoftheIGBTmoduleandheat dissipationsystemisderived．Aheatdissipationsystemfortheinverterusingforced—air-coolis designed．Themeasuredlossesandtemperaturesaregiven，thecalculatedresultsandtheexperiment resultsverifythevalidityandpracticabilityofthepresenteddesignmethodofheatdissipationsystem． Keywords：Inverter,loss，heatresistance，heatdissipationsystem l 引言 近年来，随着大功率电力电子器件的发展，变 频器的容量得到迅速提高。其散热系统设计已成为 一个关键问题。实际经验表明，变频器散热系统设 计的好坏，直接影响到变频器能否安全稳定的长时 间工作。变频器发热的绝大部分是由功率器件的损 耗引起，而功率器件本身对温度比较敏感，温度的 变化会影响器件的开通和关断过程，并影响变频器 的工作性能。为了限制功率器件的温升，常见的散 收稿日期2008．03．30改穑日期2008．07—28 热方式一般有自然冷却、强迫风冷、油冷和水冷四 种。强制风冷的散热效果是自然风冷的5～10倍， 油冷或水冷的散热效果是自然冷却的120～150倍。 从结构的复杂性和实现的难易程度来看，强制风冷 比水冷有着结构简单，实现容易和可靠性高等优点， 因此功率在数百瓦到数百千瓦之间的变频器主要采 用强制风冷进行散热。 目前对变频器散热系统已有一些研究【卜51，文献 【l】在计算IGBT通态损耗和开关损耗时忽略了结温 对损耗的影响，造成了一定的误差。文献【2】在分析 散热系统热阻等效电路时，认为IGBT与快恢复二 极管(FWD)结温相同，从而使热阻等效电路有着 万方数据 160 电工技术学报 2009年3月 较大的偏差。文献【3】利用PSPICE软件仿真计算 IGBT损耗时，需要建立较为准确的IGBT模型，同 时需要编程求解，较为繁琐，且结果误差较大，实 用性不强。 本文针对采用IGBT的变频器，提出了一种 IGBT模块损耗计算的实用方法，并考虑了温度对 各种损耗带来的影响，利用热阻等效电路，推导得 出了散热系统各点温度的实用计算公式，在此基础 上设计了一套采用强迫风冷的散热系统。 2变频器功率模块的损耗计算 功率器件工作时会产生功率损耗，变频器功率 模块的损耗主要由IGBT和快恢复二极管两个部分 组成，且分别包括通态损耗和开关损耗。 2．1 通态损耗 通态损耗是指IGBT导通过程中，由于导通压 降而产生的损耗。对于带快恢复二极管的IGBT， 其导通特性可以分别用下面的线性公式近似描述。 慨=[‰一25℃+坼一Tr(TjTr--25"C)]i+ 陬一25℃+Kv_rr(Tj_Tr-25。C)](1) 印=[乍-25℃+‰(疆D-25"C)]i+ [vFJ℃+髟。-D(‰-25"c)](2) 式中，vcB和’，F分别为IGBT和快恢复二极管的实际 导通压降；roe 和 分别为 和快恢复二_25"c rF_25℃ IGBT 极管25"C时的额定通态电阻；‰一25℃和VF25"c分别 为IGBT和快恢复二极管25℃时的额定导通压降； 正Tr和正D分别为IGBT和快恢复二极管的实际结 温；grTr为温度对IGBT通态电阻影响的温度系数； 墨D为温度对快恢复二极管通态电阻影响的温度系 数；鼠Tr为温度对IGBT导通压降影响的温度系数； 凰D为温度对快恢复二极管导通压降影响的温度系 数：f为PWM逆变器输出电流。 采用SPWM或SVPWM时逆变器输出交流电压 的基波“为 H=√2uoIncosO (3) 式中，乩。。为实际电压的有效值；0为自变量相角。 当开关频率足够高时，输出电流f可近似等效 为正弦电流，则有 f=√2loutcos(O-咖(4) 式中，，o眦为实际电流的有效值；缈为实际电流和实 际电压之间的相角。 给定PWM方法的占空比孝为 手：—l+—M-cosO (5)多=——i一 (5) 式de，M为PWM的调 制度 关于办公室下班关闭电源制度矿山事故隐患举报和奖励制度制度下载人事管理制度doc盘点制度下载 (相电压峰值除以1／2 桥臂直流电压)。在恒定的频率下，占空比可以简化 表示为相角0的函数。 根据式(1)和式(2)，经推导，输出正弦波电 流时的IGBT和快恢复二极管的通态损耗可以分别 用下面的公式计算。 ‰吨。压(去+．Mc80s#9、J。FV础℃+ Kv_Tr(Tj-25"C)]“。22∽M3c兀ostp]，× I rc。25"c+Kr．．Tr(巧一25"C)I(6) eeond_D--k。扼(去一Mc80sIP、IJLrFFv'J℃+ x恤口j-25"c)]+o}M3c尢oscp'J)× lrE251c+Kr_D(弓一25"C)J(7) 式中，P。。d_Tr和P。。nd-D分别为IGBT和快恢复二极 管的通态损耗。 2．2 开关损耗 随着开关频率的提高，开关损耗在整个器件损 耗中的比例也变得比较大，开关损耗包括开通损耗 和关断损耗两部分。在给定环境条件下，器件导通 或关断时的能量损耗(焦耳)可以通过间接的将电 流和电压相乘再对时间积分这种方法得到‘引，同时 需考虑实际电流与参考电流以及实际电压与参考电 压之间的差异。在一个开关周期内，IGBT和快恢 复二极管的开关损耗可以分别表示为 ￡。且=正c‰+‰，譬(告]K删(苦CC)毛叽y× I 1+K。w_rr(125"C一巧_Tr)I(8) ‰=正％等(卺广j(苦广一× 【l+‰(125"C一巧一D)】 (9) 式中，五为载波频率；E。为IGBT额定状态下的单 脉冲开通损耗；Ef!F为IGBT额定状态下的单脉冲关 断损耗；晶为快恢复二极管额定状态下的单脉冲关 万方数据 第24卷第3期 胡建辉等 变频器中的IGBT模块损耗计算及散热系统设计 161 断损耗；K。为桥臂电压；k伽、Ⅵ。协a分别为参考电 流和参考电压：墨，叫为电流幅值对IGBT开关损 耗影响的电流系数；墨。Tf’，为桥臂电压对IGBT开 关损耗影响的电压系数；羁。D，为电流幅值对快恢 复二极管开关损耗影响的电流系数；墨加P为桥臂 电压对快恢复二极管开关损耗影响的电压系数； 甄，nr为温度对IGBT开关损耗影响的温度系数； 以wu．r为温度对快恢复二极管开关损耗影响的温度 系数。最后需要特别指出，对于不同的栅极驱动电 阻，单脉冲开关损耗‰。、&ff和晶有一定的差异， 需要从损耗曲线上合理选择。 2．3系统总的损耗 单个IGBT总的损耗PTr为通态损耗与开关损耗 之和，即式(6)和式(8)之和err=‰+只、v_Tr(10) 单个快恢复二极管总的损耗PD为通态损耗与 开关损耗之和，即式(7)和式(9)之和 昂=‰dJD+忍岫 (11) 系统总的损耗凡。为6个IGBT和6个快恢复 二极管损耗之和 ％=6x(PTr+eV)(12) 3 变频器散热系统设计 变频器散热系统的设计包括三个方面，首先根 据负载情况求取功率器件的损耗，并预取散热器热 阻，然后通过热阻等效电路求取散热器与功率器件 各点的温度，最后根据各点的温升，以及实际环境 条件，确定最终的散热 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。 3．1散热系统的热阻等效电路 本文采用热阻等效电路的形式分析散热系统热 阻，将散热系统的损耗功率等效为电流源，热阻产 生的温差等效为电压，热阻等效为电阻，如图l所 示。 月啦神 图1 散热系统热阻的等效电路 Fig．1Heatresistanceequivalentcircuitofheat dissipationsystem 图l中，Tj一13r为IGBT的结温，rj—D为快恢复二 极管的结温，PTr为单个IGBT总的损耗，PD为单个 快恢复二极管总的损耗，RO(j-c)为单个 结一_Tr IGBT 壳的热阻，Reo-。)_o为单个快恢复二极管结．壳的热 阻，Re(c-a)为管壳到大气间的热阻，尺e(c。)为管壳至 散热器的热阻，Re(H，为散热器到大气间的热阻，瓦 为IGBT管壳温度，兀为散热器表面温度，瓦为环 境温度。尺e(。-a)相对于Re(。一。)和Re(H)数值很大，因 此与Re(。一。)和Ro(。-蕾)并联时可忽略。 由散热系统的热阻等效电路，经推导可求得散 热系统各点的温度 l瓦=只0tXRo(s—a)+L I瓦=％XRo(。-s)+正 ，．。 I弓-Tr=唯xRe(j-c)一Tr幔 I如=PDxRco--c)一D+To 3．2散热器的热阻计算 强制空气冷却用散热器的热阻经验公式为‘7{1 ％(。一a)=I√lo／配+6501A)CIC2C3【14) 式中，k为散热器热导率，单位为W／(em·℃)；d 为散热器基板厚度，单位为cm；A为散热器有效散 热面积，单位为cm2；C。为散热器表面状况和安装 状态相关的系数，散热器水平安装与垂直安装时的 散热效果不同；c2为强迫风冷条件下散热器相对热 阻系数；C3为空气换热系数。 3．3散热系统设计 对于强迫风冷的散热系统，降低散热器热阻的 主要方法有：①对散热器根部的厚度、翼片的高度、 翼片的厚度和翼片的数目进行合理的优化‘9。01。② 在材料费用和加工费用允许的情况下，应选择导热 系数较高的材料，铝通常是优先考虑的材料，在要 求特别高的场合也可以采用铜。③将散热器垂直放 置，利用相对较轻的热气流形成烟囱效应。④对散 热器表面进行黑化处理，可以有效地改善热辐射性 能。在散热器表面和环境之间的温度差为50℃时， 黑化后的散热器热阻约降低15％。⑤通过合理优化 散热系统的风道形状‘10l，从而改变空气相对于散热 器表面的流动方向，在空气流场中加入紊流，增强 系统对流换热效果。其中，紊流时的散热效果为层 流时的3～4倍[i1-13】。⑥采用多个高转速、大功率风 扇，通过提高空气流动速度，增强系统换热效果。 为了提高系统的散热效果，本文所设计的散热 系统设计采用了图2所示的方案，空气流直接冲击 散热器表面，空气流场以紊流为主。由于散热器表 万方数据 162 电工技术学报 2009年3月 面的阻碍作用，在紊流边界层的底部形成极薄的一 层层流底层。紊流时对流换热除贴壁的层流底层外， 紊流核心的速度分布和温度分布都较为平坦，主要 热阻在层流底层中。由于层流底层极薄，温度梯度 大，所以紊流换热强度远远超过层流。散热器的热 阻较小，散热效果较好。这种散热系统可用于要求 变频器的体积比较小的领域。 图2 散热系统设计示意图 Fig．2Schematicofthedesignofheatdissipationsystem 本文选用了表面发黑的插片式铝制散热器，散 热器热导率k为2．08W／(cm·℃)；散热器垂直安装， 取系数C1-0．50：采用四个风速为4m／s的轴流风机 作为冷却风扇，取系数C2=0．40；空气流场以紊流 为主，取系数C3=0．12【8l；根据表1中散热器参数， 利用式(14)可计算散热器热阻R0(。-a)=O．053*C／W。 表1 散热器外形尺寸及相关参数 Tab．1Sizesandparametesofheatsink 4计算结果与试验结果比较 本文所设计的变频器容量为70kVA，相关参数 如下：桥臂电压K。=500V，开关频率fs=10kHz。根 据以上的要求，选用德国西门康公司的IGBT (SKM300GBl28D)作为系统主电路的开关器件， 其额定电压1200V，额定电流300A，开关频率20kHz， 符合系统设计的要求，且有一定的裕度。 4．1计算结果 由前面的分析可知，利用式(6)～式(9)计 算IGBT和FWD的通态损耗和开关损耗时，需确定 一些系数，通过试验并参考器件手册提供的数据， 得出SKM300GBl28D的相关参数如表2所示，根 据前面设计的散热器，并将表2参数代入相关公式， 计算变频器输出电压玑呲=200V，输出电流 厶叭=110A，功率因数cos·p=0．815，环境温度兀=20 ℃时的各种损耗以及各点的温度为：单个IGBT通 态损耗Pcond旷=69．8W，单个IGBT开关损耗 P。，-TlF78．0W，单个FWD通态损耗P。。ao=9．1W， 单个FWD开关损耗Psw_D=21．9W，系统总的损耗 P。m=1072．8W；散热器表面温度瓦=76．9"C，管壳温 度Tc=90．8"C，IGBT结温Tj_T,=103．4"C，FWD结温 Ti_D=96．4"C。 表2 SKM300GBl28D相关参数 Tab．2ParametersofSKM300GB128D 通态损耗和开关损耗相关参数 栅极驱动电阻Re=5fl、V,,m=600V、‘州=200A时 的单脉冲开关损耗 4．2试验结果 实际试验中，所设计的变频器驱动一台50kW 的永磁同步电动机，输出电流为110A，环境温度为 20℃，在输出功率为53．79kW，输出电压为200V， 稳定运行时，系统总损耗的测量值为1071W，通过 温度传感器测量散热器表面温度为Ts=74．8℃， IGBT壳温为Tc=88．5℃，可以看出实测结果与计算 结果较为吻合。 5 结论 本文针对70kVA变频器的散热系统进行了研 究设计。推导了PWM时的IGBT模块的损耗计算 公式，通过系数修正结温对IGBT和FWD的导通压 降的影响，并考虑电压、电流、温度对IGBT和FWD 的开关损耗的影响，提高了功率模块的损耗的计算 精度。散热器热阻的准确计算是变频器散热系统设 计的另一重要参数，分别采用相应系数修正安装方 式、风冷形式、空气流动性质等对热阻的影响，可 万方数据 第24卷第3期 胡建辉等 变频器中的IGBT模块损耗计算及散热系统设计 163 以计算获得较准确的散热器热阻值。采用热阻等效 电路法进行变频器的散热系统设计，可以较准确地 计算热路上各点的温度，能够满足工程设计要求。 参考文献 【1】 续明进，张皓。董武．高压变频器散热与通风的设 计【J】．变频器世界，2005，9(5)：68．71． XuMingjin，ZhangHao，DongWu．Designof ventilationandheatsinkinginhighvoltageinverer[J]． TheWorldofInverters，2005，9(5)：68-71． 【2】 王丹，毛承雄，范澎，等．高压变频器散热系统的 设计【J】．电力电子技术，2005，39(2)：115．117． WangDan，MaoChengxiong，FanPeng，eta1．Design ofheatsinkinginhighvoltagevariablefrequency drivesystem[J]．PowerElectronics．2005，39(2)：115- 117． 【3】 曹永娟。李强，林明耀．基于PSPICE仿真的IGBT 功耗计算【J】．微电机，2004．37(6)：40．42． CaoYongjuan，LiQiang，LinMingyao．Methodof estimatingpowerlossofIGBTbasedonPSPICE simulation[J]．MicroMotor，2004，37(6)：40—42． 【4】 刘卫，解金芳，莫易敏．600AIGBT开关电路及其 散热系统设计【JJ．武汉理工大学学报，2003，25(9)： 63·64．68． LiuWei，XieJinfang．MeYimin．The600AIGBT switchedcircuitanddesignoftheheat·emitting system[J]．JournflofWuhanUniversityofTechnology， 2003，25(9)：63-64，68． 【5】 徐殿国，李向荣．极限温度下的电力电子技术【J】． 电工技术学报。2006，2l(3)：15—23． XuDianguo，LiXiangrong．Powerelectronicsin 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