中國礦業(yè)大學(xué)電氣與動力工程學(xué)院、國網(wǎng)張家港市供電公司的研究人員趙紅璐、朱永元等，本文研究了大功率逆變器中IGBT模塊的散熱設(shè)計(jì)。大功率IGBT模塊在功率變換系統(tǒng)、無功補(bǔ)償系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，隨著系統(tǒng)尺寸重量向著輕小化方向發(fā)展，IGBT模塊單位體積內(nèi)的散熱量越來越高，嚴(yán)重危害了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，因而對IGBT模塊的熱分析、熱管理成為大容量IGBT技術(shù)發(fā)展的重要研究方向。

本文提供了一整套的散熱設(shè)計(jì)方法：首先對IGBT模塊在實(shí)際工作電壓電流下的損耗進(jìn)行了分析計(jì)算，接下來提出了一種考慮IGBT模塊內(nèi)NTC熱敏電阻的新型等效熱路圖，通過該等效熱路圖可較快速準(zhǔn)確地進(jìn)行結(jié)溫以及熱阻的計(jì)算，最后利用ANSYS的DesignXplorer模塊對影響散熱器熱阻的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了定量分析，并對散熱系統(tǒng)的散熱效果進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)分析，證明散熱設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

用于功率轉(zhuǎn)換和電機(jī)控制的絕緣柵雙極晶體管（IGBT）模塊在電動汽車、火車、不間斷電源以及風(fēng)力渦輪機(jī)中有著非常廣泛應(yīng)用。近些年來，隨著功率等級的提高以及功率模塊小型化的不斷推進(jìn)，IGBT功率模塊不可避免地要散發(fā)出更多的熱量，也就是功率損耗體現(xiàn)為功率模塊發(fā)熱。

在混合電動汽車的應(yīng)用中，IGBT模塊的熱流密度已經(jīng)達(dá)到100～150W/cm2，并且隨著容量的增大和開關(guān)頻率的增高，下一代的IGBT模塊的熱流密度有計(jì)劃上升至500W/cm2。在這種情況下，對IGBT模塊的熱分析成為大容量先進(jìn)IGBT模塊技術(shù)發(fā)展的主要壁壘。

現(xiàn)階段的對大功率IGBT模塊的研究主要集中3個方向。

1）對IGBT模塊的損耗計(jì)算。文獻(xiàn)[4-5]在分析損耗計(jì)算時忽略了功率器件結(jié)溫對損耗的影響。文獻(xiàn)[4]結(jié)論的成立的條件是器件的開關(guān)能量損耗與其承受的電壓呈線性關(guān)系。文獻(xiàn)[5]在對NPC型IGBT模塊進(jìn)行分析的時候認(rèn)為中間的鉗位二極管和上下兩個反恢復(fù)二極管的損耗完全相同，實(shí)際上它們的導(dǎo)通時間是不同的，因而產(chǎn)生的損耗也是不同的。

2）對整個散熱模型的等效熱路圖進(jìn)行精確化等效。文獻(xiàn)[6-7]等對現(xiàn)階段的等效熱路圖進(jìn)行了改進(jìn)，提出了3-D熱阻抗等效模型，并將熱耦合等因素考慮了進(jìn)去，但是這種熱阻抗模型過于復(fù)雜，而且只對IGBT芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了等效，因而適用于外圍電路簡單的散熱。

3）對新型散熱方式的研究。文獻(xiàn)[8]提出了新型的水冷風(fēng)冷相結(jié)合的冷卻辦法，但造價(jià)較高?，F(xiàn)如今的熱管冷卻，微通道冷卻效果都很好，但是缺點(diǎn)在于前期的經(jīng)濟(jì)成本過高。

本文第一部分對IGBT模塊在實(shí)際工作電壓電流下的損耗進(jìn)行了分析計(jì)算，第二部分提出了一種考慮IGBT模塊內(nèi)NTC熱敏電阻的新型等效熱路圖，通過該等效熱路圖可較快速準(zhǔn)確地進(jìn)行結(jié)溫以及熱阻的計(jì)算，第三部分利用有限元分析軟件ANSYS中的DesignXplorer模塊對影響散熱器熱阻的多個關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了定量分析，最后一部分對各個參數(shù)影響下散熱系統(tǒng)的散熱效果進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)分析，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了等效熱路圖的實(shí)用性以及散熱設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

圖2  IGBT模塊散熱器模型

圖12  實(shí)驗(yàn)平臺

結(jié)論

本文主要分析了大功率逆變器在工作電流為200A時的損耗計(jì)算方法，以及在損耗計(jì)算基礎(chǔ)上提出了基于NTC熱敏電阻的熱阻等效熱路圖，并進(jìn)行了散熱設(shè)計(jì)。在理論分析后進(jìn)行了實(shí)際的仿真及實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，最終證明了散熱設(shè)計(jì)的有效性。