1 引言

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

　　本文通過FloEFD軟件對高壓變頻器功率單元使用的散熱器進行仿真分析，并通過實測，驗證了FloEFD軟件分析電力電子設(shè)備散熱設(shè)計的可行性及可靠度。軟件的先前仿真，對于優(yōu)化散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了有效的技術(shù)方法。

2 仿真原理及方案設(shè)計

2.1 仿真原理

　　FloEFD是無縫集成于主流三維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）開發(fā)，其分析步驟包括數(shù)字化CAD模型的簡化及建立、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在時間域和空間域上連續(xù)的物理量，用有限個離散點上的變量值集合來代替，通過一定原則建立起關(guān)于這些離散點上場變量間關(guān)系的代數(shù)方程組，進行求解后獲得場變量的近似值。熱設(shè)計問題本質(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)計可通過湍流模型描述。CFD仿真基本理論為：電力電子設(shè)備的散熱設(shè)計屬于不可壓縮、常物性、無內(nèi)熱源的三維對流傳熱問題，結(jié)合傳熱學(xué)和流動動力學(xué)基本理論，得出描述該問題的微分方程組。

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

　　對于一個實際換熱問題，借助軟件實現(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功率單元熱仿真實例

（1）IGBT封裝的結(jié)構(gòu)組成

　　在一個IGBT模塊里，數(shù)個功率半導(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)熱性能的同時還提供了相對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的鋁制鍵接線用鍵接的方式來實現(xiàn)。

　　如圖1所示，為FF450R17ME4模塊內(nèi)部細節(jié)圖。在進行熱仿真的前期模型處理時，需詳細搭建內(nèi)部晶圓的尺寸及布局。對于模型主要部分，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)，一些散熱器廠家簡單的用一個封裝銅基板大小的面熱源進行仿真計算，這種方法是完全錯誤的。這樣計算將使熱流密度和擴散熱阻很大程度上的削減，使得實際溫度會明顯高于仿真溫度。

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

圖1- FF450R17ME4模塊內(nèi)部細節(jié)圖

圖2-IGBT模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)的詳細示意圖

（2）設(shè)計案例背景介紹

　　案例介紹的功率單元采用常用的兩個FF450R17ME4模塊，常規(guī)使用時，通常按模塊利用率50%進行選型，即輸出電流為225A。為提高單個功率單元模塊的利用率來降低模塊及整機的成本，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)鍵點在于如何有效的對IGBT單元進行合理和有效的散熱。

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

　　參考業(yè)內(nèi)針對過載方面的標準，均為每10min內(nèi)可允許120% 過載，過載時間為持續(xù)1min。按1.2倍過載，單元輸出電流為356.4A，單個IGBT芯片損耗為102W，單個Diode芯片損耗為28.9W。  

圖3-單個IGBT和Diode的封裝熱阻和耐受溫度

（3）熱管散熱器仿真設(shè)計

　　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Hi-Connector工藝進行緊配，如圖4所示。

　　仿真模型詳細建模散熱器、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)運行工況下，環(huán)境溫度40℃，進風(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)時芯片溫度曲線

（5）過載瞬態(tài)仿真結(jié)果

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

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

圖8- 1.2倍過載瞬態(tài)時芯片溫度曲線

（6）測試數(shù)據(jù)

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

圖9-IGBT正下方銅基板測試點示意圖01

圖10-IGBT正下方銅基板測試點示意圖02

　　模塊測試風(fēng)速按5m/s，與仿真風(fēng)速一致。測試時環(huán)境溫度20℃，測試點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%以內(nèi)，可以接受。說明仿真數(shù)據(jù)可以評估方案可行性及決定是否需要進行打樣。

圖11-熱電偶監(jiān)測點溫度

3 結(jié)論

　　對于電力電子設(shè)備的散熱設(shè)計問題，采用基于FloEFD分析的散熱設(shè)計方法能較準確的評估實際工況中的溫度、速度和壓力場的分布，從而幫助設(shè)計人員快速確定最佳設(shè)計方案。能有效指導(dǎo)產(chǎn)品熱設(shè)計，前期規(guī)避熱失效的風(fēng)險，提高產(chǎn)品可靠性及市場競爭力，同時可以縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，降低開發(fā)成本。

參考文獻

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