三相PWM逆变器真空室冷却中的散热器重要性及影响研究

工程科学与技术，国际期刊20（2017）542完整文章散热器散热在三相PWM逆变器真空室冷却中的重要性AnjanSarkar，Basil IssacAMETEK Instruments India Private Limited，Bangalore，印度阿提奇莱因福奥文章历史记录：2016年4月14日收到2016年5月23日修订2016年6月7日接受2016年6月30日在线发布保留字：IGBT热辐射散热器SPWM技术结温A B S T R A C T本文介绍了一种以三个相差120°的正弦波作为参考信号的正弦脉宽调制（SPWM）三相逆变器的热分析假设IGBT单元与散热器一起放置在真空室内，并且全部热量必须通过传导和辐射进行传递这里存在的主要热源Melcosim（由三菱电机公司开发的众所周知的工具）已被用于从连接到相的一组IGBT和二极管产生功率脉冲。编写了Scilab程序，研究了在复杂开关脉冲作用下，热沉的导热和热辐射对IGBT单元结温瞬态增长的影响。结果表明，通过调整热沉的各种参数，热沉的热辐射对IGBT的结温保持在阈值范围内起着至关重要的作用。随着IGBT发热率的提高，散热器的辐射热传递急剧增加，这增强了系统的整体©2016 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍近年来，已经增加了推广使用具有耗尽烃燃料层的可再生能源的努力。为了利用这些可再生能源，逆变器是必不可少的，它将DC转换为AC，因为大多数可再生能源都是以DC形式存在的。逆变器主要由IGBT（即电压控制功率晶体管）组成，当电压要求增加时使用。IGBT（绝缘栅双极型晶体管）提高了动态性能、效率并以传导和开关损耗的形式散热。连接到IGBT冷板的散热器将热量从模块驱动到外部环境。Kojima等人[1]描述了一种用于分析汽车IGBT模块的新型电热耦合仿真技术。用有限元模型和实验结果对所提出的模型进行了验证。在他们的方法中，他们可以成功地捕获IGBT模块中发生的横向热扩散和热干扰。Popovic等人[2]进行了热分析半桥IGBT功率模块安装在散热器上。*通讯作者。电子邮件地址：anjan. ametek.com，anjansirkar@gmail.com（A. Sarkar），basil.ametek.com，basilisaac@yahoo.com（B. Issac）。由Karabuk大学负责进行同行审查用有限元法进行了分析，验证了在不同的功率耗散和强制冷却条件下系统的温升。最后，他们发现他们的模型和实验之间有很好的一致性。KeMa等人[3]强调了Foster型RC网络在解决散热器和导热脂的热阻抗方面的差异。他们提出了一种新的热模型，与早期模型相比，该模型在结温和壳温方面都有更好的结果。Schnell[4]在正弦输出电流的假设下数值计算了开关和传导损耗。在程序中计算具有特定散热器的模块的静态和瞬态温升。在IGBT和同伴续流，ING二极管的损失反复调整温度上升。Angira等人[5] 采用浮置金属的概念来减小容性分流RF-MEMS开关的可动结构与共面波导中心导体之间的射频重叠面积，从而在不影响下态响应的情况下改善器件的插入损耗。Jesus等人[6]通过求解Poison方程对双材料包围栅MOSFET（DMSG）在他们的研究结果中，他们发现与传统MOSFET相比，DMSG MOSFET在防止短沟道效应方面具有更高Moaiyeri等人[7]模拟了32 nm CNTFET模型，并证明了与基于尖端CNTFET的http://dx.doi.org/10.1016/j.jestch.2016.06.0042215-0986/©2016 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestchA. 萨卡尔湾 Issac/Engineering Science and Technology，an International Journal 20（2017）542-551543三元设计Turkyilmazoglu[8]使用水纳米流体通过提高热效率来提高直接吸收太阳能收集器的性能。他开发了二维稳态模型的温度场的解析解，以研究传热纳米流体的温度增加。在上述文献中，热辐射被认为是可以忽略的，因此成为一个有趣的领域来研究其对IGBT的工作条件下的影响，因此本研究的重点。2. 研究目的在本研究中，三相逆变器经受使用PWM开关技术的电压源，该PWM开关技术具有恒定幅值的DC输入电压。逆变器的工作是将此直流输入产生交流输出，其中幅度和频率可以控制。整个装置都要放在一个真空室，其中强制冷却机制不能适应，因此内部产生的大量热量必须通过传导和辐射的方式被移除到大气中。考虑到上述条件，研究已经进行了彻底，以最大限度地提高板翅散热器的辐射传热，这是进一步连接到这个单元，以消除内部产生的总热量。3. SPWM技术及其输入条件在本设计中，正弦脉宽调制（SPWM）技术已被用于控制逆变器，以产生所需的输出电压和频率。SPWM技术广泛应用于电力电子技术中，通过开关管的导通和关断产生一逆变器组件由三个IGBT（CM 150 DY-34 A/三菱电机）模块连接到三个不同的输出相位，如图1所示。每个模块由两个IGBT晶体管连接到它们的续流二极管，从而使整个组件内总共有六个晶体管和六个二极管对于整个逆变器组件，本研究考虑的输入条件如下所示V<$1000V;PF<$0：7;M<$1;fSW<$3kHz;fO< $60Hz;R0G<$3：2X;Fig. 1.三相逆变器内部的IGBT晶体管和续流二极管架构。命名法ABCpFfhHIKL暴露于环境的表面积（m2）翅片厚度（t）与基底厚度（tb）之比铜的比热（J/kg K）视角系数频率（Hz）传热系数（W/m2K）散热片高度（m）施加电流（A）铜的导热系数（W/m K）散热器沿传热方向的等效高度（H/2）（m）散热片长度（m）调制系数散热片数量功率因数（cosu）功率（W）传热（W）热阻（K/W）电阻（X）散热片之间的间隙（m）0厚度（m）时间（秒）达到稳态条件的时间（s）绝对温度（K）工作电压（V）散热器底座宽度（m）希腊字母qgeru铜的密度（kg/m3）散热器翅片的总表面效率散热器表面的发射率相位角（度）Stefan–BoltzmannLMnPFPQRR0Stt0ts0TVW下标a环境av平均b散热基座c情况C收集器CD传导CE集电极-发射极通道散热器通道cs案件下沉三维耗散G门高温热沉O输出r辐射反向恢复SA水槽至环境温度饱和的544A. 萨卡尔湾Issac/Engineering Science and Technology，an International Journal 20（2017）542图二. IGBT模块和板翅式散热器的示意图。为了便于计算，在整个研究中，二极管和晶体管的Rjc值均被视为0.1。为了更好地理解读者，IGBT模块和散热器的基本原理图已在图中示出。下面2个。3.1. IGBT建模在上述输入条件下，使用MELCOSIM（三菱电机公司的软件）软件来计算IGBT晶体管和二极管产生的热量。其中一个相位的输出电流和电压波形如图3a所示，其中由于电路上的电感负载，电压似乎领先于电流。为了避免笨拙，上图中未显示其他两相的波形。利用上述输入，针对每个脉冲以“毫秒（ms）”水平计算整个逆变器单元的瞬态功率耗散图3a. 有感性负载时其中一相的电压和电流波形。XXXXA. 萨卡尔湾 Issac/Engineering Science and Technology，an International Journal 20（2017）542-551545图3b. 当Pd= 245 W时，所有三相的IGBT和二极管的瞬态功率脉冲。3.1.1. 功率脉冲通常，对于低频功率脉冲，会发生逐周期的结温波动。随着频率的增加，结的热惯性消除了瞬时温度波动，结更多地响应平均功耗而不是波动功耗。因此，考虑到两种类型的输出电流，脉冲在“1 s”的跨度上被平均（面积加权）(a) Pd，av= 245 W（峰值电流I= 75 A(b) Pd，av= 347 W（I = 75 A，电流均方根值）上述两个平均功耗值已被考虑用于研究的其余部分。3.2. 散热器建模为了通过传导和辐射的方式从IGBT组件中消散这种大量的热量，散热器被非常审慎地设计并且附接到该组件的基板参考上述IGBT模块的示意图，估计整个组件的散热基板的净面积约为186 mm× 108mm。因此，为了消除上述Wong[9]的参考文献，为IGBT和二极管的损耗计算提供了一种相对准确和快速的方法。IGBT模块的模型数据基于其各自的数据手册值。IGBT和续流二极管的导通和开关损耗的计算是基于应用参数完成的，例如：直流链路电压、输出频率、开关频率、调制指数和功率因数通过将微控制器的上下计数器的计数值与在这种情况下为正弦的参考电压进行比较来简单地计算相应的PWM占空比。通过以下分析方程计算功率损耗，同时考虑到在整个周期内积分的饱和电压和电流的区间平均值。通过考虑占空比，在该方程中，每个设备的平均功率可以计算如下。2个pPCDIGBTIGBT IGBTIC×VCE额定电压×占空比相位1/4 02个pPCD FWDiIC×VCE额定电压×工作电压关断电压2V相位1/4 02个p为 了 进 一 步 研 究 散 热 器 的 散 热 性 能 ， 选 择 了 一 个 尺 寸 为 400mm×400 mm× 170 mm的铜散热器，并将其安装在逆变器组件上。黑色阳极氧化铝（e= 0.9）被认为是上述散热器的表面涂层4. 控制方程Melcosim仿真工具是公司研发中经过充分验证的电力电子仿真产品，可以在PSWIGBT开关EON开关EOFF开关300相位1/4 02个pPSWFWDIE-R-400相位1/4 0为了解释散热器表面发生的热辐射，编写Scilab代码来估计热阻（即表面电阻和空间电阻的组合效应）R.T4-T4型第一季第一集A1F 12a2e2Qtotal¼n-1 QchntL2H2 HL2 tbLW]re.T4-T4型546A. 萨卡尔湾Issac/Engineering Science and Technology，an International Journal 20（2017）542在两个平行的无限大板块之间关于M.F.[10]，上述句子可以很好地概念化的帮助下，图. 4a.保持在T1和T2的两个表面之间交换的辐射热传递量被写为1Q1¼1-e1121-e2¼-Q2在图4b中，示出了由板翅式散热器的两个相邻翅片形成的典型通道。的EQ。对于Younes Shabany的文章[11]中讨论的平行板的有限几何形状，需要对公式（5）进行修改。考虑到有限尺寸的通道表面是漫射的和灰色的，并且周围的介质相对足够大，来自该通道的净辐射传热率可以表示为：2012年12月22日，T4-T4型图4b.有限长度的散热器通道。Qch¼C a1-e 1ð6Þ其中，Fsa表示通道视角因数，其是壁与通道及其周围的底部之间由于在本研究中使用铜散热器，因此从外壳到散热器的热阻（Rcs）被取为零，以避免研究中的进一步复杂性。假设热沉温度为Tc，则来自热沉的总辐射传热率表示为：C að7Þ根据上述表达式，等效辐射传热系数（hr）可计算为：Q总计hr¼AhsTc-Ta通过考虑翅片方程，可以对实际辐射传热率（即，沿翅片的温度不是等温的）进行更准确的估计，并表示为Qhs;r<$ghsAhs hrTc-Ta90瞬 态 温 度 方 程 用 于 评 估 结 温 随 时 间 的 响 应 （ 请 参 考 B.W.Williams[12]），考虑到在散热器表面发生的传导和辐射，IGBT模块可以写为一Pd¼ -kl@TcAlCp@tAlC p@t AlChs;rð10Þ一旦从等式1获得Tc值，（10）在每个时间步，在Eq. （11）在每个时间步长水平计算Tj值。Tj<$TcRjc×Pd 11图五. 显示研究中考虑的数值步骤细节的流程图。5. 数值方法和结果图4a. 无限大平行平板的辐射电阻。在大多数文献中，Eq. 方程（10）用Cauer或Foster RC网络模型求解。在这两种模型中，采用RC网络计算了IGBT冷板和热沉材料的电阻率，假定R和C的乘积是材料性能的函数。这一网络解读开始定义边界条件Ta，Pd初始条件为Tc（t=0）= Ta根 据 方 程 （ 编 号 ） 计 算 Qch、Q total、h r和Q hs ， r。6、7 、 8 和 9 分 别 使 用 上 述 Tc根据公式计算Tc（t+1）(10)用于后续步骤。根据公式（11）更新所有Tc（t+1）值的Tj没≤ 10是停eFSAA. 萨卡尔湾 Issac/Engineering Science and Technology，an International Journal 20（2017）542-551547图六、随着Cp值的变化，达到稳态的时间（t0）发生变化。计算热阻值的方法适用于较小的几何形状，然而对于较大的几何形状，该方法显示出许多差异。特别是对于大型热沉，热辐射随着表面积的增加而变得活跃，而RC网络模型在有限的范围内很少能够解决这一问题。因此，为了克服这种情况，编写了Scilab代码来描述来自散热器的热辐射在增加整个IGBT模块的工作范围中的重要性。Eqs。（（6）上述流程图（即图5）解释了系统地求解方程组所遵循的步骤。瞬态方程的有限差分离散化。在每个向前时间步计算Tc，直到系统达到完全稳定状态。考虑上述情况的初始条件为Tc（t0=0）=Ta，并以此为基础计算了剩余时间步的温度。 数值时间步长在此取为“1 s”，并进行了近800次迭代，以使壳体温度达到稳态。关键的散热器参数已被改变，以研究其对结温变化的影响和结温达到稳态所需的时间。见图7。随着环境温度（Ta）的升高，达到稳态时间的变化。548A. 萨卡尔湾Issac/Engineering Science and Technology，an International Journal 20（2017）542见图8。 当Pd= 347 W时，有辐射和无辐射的结温（Tj在上述输入条件下，得到了Pd= 347 W和Ta= 320 K的第一手结果，图6示出了达到稳定状态的时间仅在100秒和350秒之间变化，这取决于散热器材料的比热容的变化。为了强调热沉参数对t0的重要影响，将达到稳态时间（ts0）的值固定为100 s，因此整个研究的比热选择为390J/kg K。为了理解辐射在较高环境温度下更快达到稳态的显著效果，在所施加的环境条件增加的情况下进行了一系列模拟，并在图7中进行了描述。该图清楚地表明，当Ta的值从300 K升高到340 K时，达到稳定状态的时间的减少率比当Ta升高到340 K以上时从图中还可以看出，在两个环境温度见图9。 在不同的“S”值下，结温（Tj）随“B”的增加而A. 萨卡尔湾 Issac/Engineering Science and Technology，an International Journal 20（2017）542-551549表1当Pd = 245 W，Ta = 360 K时，在不同的S值下，结温（Tj）随B值的增加而变化当IGBT的功耗从245 W上升到347 W时，范围变得更大。从上面的图8中可以更好地评估热辐射在将结温保持在Tj= 400 K时的作用。在图中，可以清楚地看到，如果系统仅通过传导冷却，则结温随时间连续增加，而考虑到从散热器表面发生的辐射，系统在时间t0= 150 s时达到Tj= 400 K的稳定值对于上述情况，由散热器耗散的总辐射热接近350W，这是一个显著的量，因此热辐射充当从这些类型的系统更快地去除热量的主要驱动因素。该研究进一步扩展到通过改变关键的散热器参数，看到热辐射在更快地达到稳态方面除了其他参数之外，应注意的是，有三个重要的散热器参数，达到稳定状态的时间主要取决于这些参数，并且它们是（i）两个翅片之间的间隙（S），（ii）翅片厚度（t）和（iii）基部厚度（tb）。为了在本研究中系统地呈现重要的观察结果，引入了一个名为B的参数，显示了在S的随机值下翅片厚度（t）与基底厚度（tb）的比值。保持Pd=245 W和Ta= 360 K固定，已经进行了大量的模拟来计算IGBT结温在不同的B值对于特定的S值，并记录结果。因此，已经发现，在IGBT和散热器的现有设置下，对于S = 0.09 m、0.13 m和0.15 m，结温随着B的增加而下降，如图所示。9.第九条。对于其他S值，进一步增加B值会导致结温非常迅速地增加，因此对本研究没有太大用处，但是为了定量了解整个研究，请参阅表1。从图中可以看出，S= 0.09和0.13的结温曲线几乎相同，而对于S= 0.15 m，曲线的幅度显著下降，这意味着随着翅片数量的减少，它增加了来自散热器表面的辐射传热。对于上述情况，在结温最低（即400.48 K）处，计算出的散热片数量为4个。同样，为了更好地理解上述描述，在图10中绘制了Pd= 245 W和Pd= 347 W的结温带，B的有效范围与环境温度（Ta）的关系。在图中可以观察到，见图10。 结温（Tj）带随环境温度的增加，范围为B。S= 0.03S= 0.05S= 0.07S= 0.09S= 0.11S= 0.13S= 0.15S= 0.17BTJBTJBTJBTJBTJBTJBTJBTJ4.24406.093.19405.622.53407.602.21408.252.22404.171.90408.111.90405.171.90402.636.03404.674.49404.583.51406.733.04407.493.04403.522.58407.482.58404.602.58402.127.41406.016.03403.604.67405.914.01406.774.00402.903.37406.893.37404.083.37401.649.64404.736.90406.545.99405.125.13406.095.11402.324.27406.334.27403.584.27401.1910.98406.488.65405.617.50404.376.38405.435.28408.955.26405.795.26403.105.26400.7613.51405.3010.58404.729.17403.647.78404.796.39408.356.41405.276.41402.635.05410.3816.30404.1812.79403.8711.06402.949.32404.177.64407.787.64404.767.64402.186.01409.9117.27406.4215.19403.0511.01407.7711.01403.578.99407.228.99404.278.96401.737.04409.4520.16405.3815.29406.7412.87407.0712.87402.9910.48406.6710.48403.7910.48401.318.15409.0023.33404.3817.61405.9214.81406.3914.81402.4212.07406.1312.07403.3112.07400.899.33408.5626.79403.4220.27405.1616.95405.7416.95401.8713.76405.6113.76402.8513.76400.4810.64408.13550A. 萨卡尔湾Issac/Engineering Science and Technology，an International Journal 20（2017）542见图11。 随着Ta值的增加，结温带宽的%变化。表2随着环境温度水平的升高，结温带宽在Pd= 347 W和Pd= 245 W之间的差异不是Pd= 347 WPd= 245 W差异%Tj（B= 1.904）Tj（B= 15.609）DTjTj（B= 1.904）Tj（B= 15.609）DTj300.00386.75378.658.10367.09360.506.5922.86305.00389.16381.197.97369.89363.436.4623.36310.00391.65383.807.84372.77366.436.3323.87315.00394.20386.497.71375.71369.516.2024.37320.00396.83389.257.58378.72372.656.0724.86325.00399.53392.087.45381.81375.875.9425.35330.00402.29394.977.32384.96379.145.8225.84335.00405.13397.947.19388.17382.485.6926.32340.00408.03400.977.06391.45385.895.5726.79345.00411.00404.076.93394.79389.355.4427.26350.00414.03407.236.80398.19392.875.3227.72355.00417.12410.456.67401.65396.445.2128.16360.00420.28413.736.55405.17400.075.0928.60与带Pd= 347 W相比，带Pd= 245 W的斜率较小，这意味着对于带Pd=347 W相比到带Pd= 245 W对于相同的环境温度上升。这是因为IGBT在较高的功率耗散下，热沉的热辐射作用很强。此外，可以注意到，在所考虑的任何环境温度值下，Pd= 347 W的带宽（即，从B = 1.90到15.60）大于Pd= 245 W的带宽，这意味着对于相同的B范围，在较高的功率耗散率下，与较低的耗散率相比，结温的降低更多。聚焦到图的另一侧，可以看出，最大结温线（即，T j，max= 125 °C）与在A0B0和A00B00处，Pd分别为347W和 245W点A0 B0意味着当IGBT模块消耗Pd= 347 W，环境温度容差随B值的增加而增加。环境温度（Ta）对应于点B0的温度远高于点A0。因此，这条线间接地给出了一个关于B值的完整指导，我们应该在特定的环境温度下保持在最大结温限制内。图11给出了关于上述讨论的结温带宽的%变化的相当好的想法，并且数据的详细量化列于下表2中。该图清楚地表明，随着环境温度水平的增加，两个带（即Pd= 347 W和Pd= 245 W）之间的结温降低的%变化上升。这是因为对于相同的IGBT功率耗散，来自散热器的热辐射随着环境温度水平的增加而增加6. 结论上述研究总结了三相逆变器内部的IGBT和二极管组件以非常高的温度散热。A. 萨卡尔湾 Issac/Engineering Science and Technology，an International Journal 20（2017）542-551551结温随时间上升的频率脉冲。板翅式散热器的热辐射为结温的瞬态增长提供了更快的稳态条件该研究还强调了特定B值的环境温度的允许限值，以保持在最大允许结温范围内。增加环境温度增强了来自散热器表面的热辐射，从而有助于结温以更快的速率变得稳定，而IGBT和二极管组件消耗的功率量相同。热沉材料比热容（Cp）的微小变化对达到稳态时间的增加有较大影响。引用[1] T. 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