多电平单元串联高压变频器功率单元的热设计

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1、多电平单元串联高压变频器功率单元的热设计1　引言　　随着大功率的igbt器件的日益成熟，价格的不断下降，其已经成为电力电子行业的主导器件，在以igbt为基础制作的高压变频器也已经走向工业的各个方面。当随着能源价格的不断上涨，世界能源日渐贫乏，在建设节能型社会的理念下，大容量的变频器的需求越来越多，其大功率的igbt相应大量的应用。在大功率igbt应用中，如何保证大功率igbt使用中的散热效果就成为了大功率高压变频器研发中的关键点之一。　　在变频器设备中，大功率的igbt和doide是设备运行稳定的关键器件，其工作状态的是

2、否稳定直接影响整个变频器的可靠性。功率器件在运行过程中，由于其静态与动态的损耗，产生大量的多余热量，利用散热系统来使其发散出去。散热不良的直接后果是导致器件的运行温度过高，芯片的晶体结构发生不可逆转的破坏，轻则使运行参数偏移剧烈，在严重时导致短路引起着火、爆炸的后果。　　本文从工程实用角度出发，结合多电平单元串联电压源型变频器的300a通用功率单元子系统的研发，充分运用功率器件的热设计和散热器的工程化方法，使用现代流体计算机辅助设计的热传导分析软件和热设计技术，研制中的300a通用功率单元散热系统实施了热设计、热分析和热

3、试验集成研发综合工程，满足其用300a通用功率单元所构成的6kv/2500kw或10kv/4200kw高压变频器运行中的散热需求。2　热设计理论基本简介2.1　热设计发展动态分析　　热设计是利用热的传递特性，通过冷却装置控制电子设备内部所有电子元器件的温度，使其在设备内所处的工作环境条件下，不超过规定的最高允许温度的设计技术。　　我国在热设计方面研究起步时对军用电子设备给予了高度的重视，在1992年7月颁布了国军标gjb/z27-92《电子设备可靠性热设计手册》，作为热设计的基本依据；1993年9月颁布了国军标gjb/z

4、35-93《元器件降额准则》，规定了各元器件在不同应用情况下应降额的参数及其量值标准，并提供热设计和降额设计的应用指南。电子产品的热设计发展方向为：(1)冷却方案的发展　　由于超大功率开关器件，超大规模集成电路的不断发展，其单位面积产生的热量越来越大，散热系统通道的热流密度相应越来越高，用原有常规冷却方案已无法满足散热要求，从而产生了新型的高效冷却方式在工程上的应用，例如：喷射液冷、二相流冷却、微型热管传热、模块级核沸腾换热等方案。(2)热设计层次划分　　热设计在发展过程中，由于其在不同环境要求下的需求，形成了元件级、电

5、路板级、设备级三个层次系统。每一个层次系统均发展出相应的计算机工程辅助软件，能在产品研发和设计之初就进行热设计与仿真。(3)热设计系统集成　　从提高电力电子设备的可靠性出发，将电子产品的热设计，热分析和热测量集成为一个工程体系，应用相关的计算机辅助软件，结合独立元器件重载，高温测试，利用测量结果与热设计原理分析，构成一个严谨的热设计集成系统，从而保证研发出产品的热稳定性。2.2　热电模拟法　　热阻是一个数学上的概念，类似于在基础物理中学到的电阻的概念。其含义是：通过物体的热流量与流过固定电阻的电流十分近似。　　根据傅立叶

6、的热传导定律指出：通过物体单位面积的热流量正比垂直于等温线方向的的温度梯度。将公式进行积分后得：将称为热阻。　　根据欧姆定律，电压差产生电流。乔治-西蒙-欧姆(1787-1854年)证明了电流和电压差之间存在简单的线性关系，其公式为：　　在工程中作如下对比：　　电流i——热流q　　电压v——温差△t　　电阻r——热阻r　　这就是热电模拟法的基本原理。3　热设计的要求和准则3.1　热设计的要求(1)热设计应满足电子设备最高允许的工作温度和功耗要求；(2)热设计应满足电子设备预期工作的热环境要求；(3)热设计应满足对冷却系统

7、的限制要求；(4)热设计应符合其有关的标准、规范规定的要求。3.2　热设计流程　　热设计是在充分掌握各种导致热失效参数的前提下，以较少的冷却代价获得高可靠的电子设备，一个标准的热设计流程将会极大提高热设计的效率，并减少热设计失误的概率。标准的热设计流程如图1所示。图1　标准的热设计流程3.3　在300a变频器通用功率单元的具体原则　　在热设计中，在遵守以上要求和准则的基础上，针对高压变频器的具体特点，制定在工作中必须遵守的总原则：(1)第一原则　　在研发中，所有关键参数必须有相应的数学运算与仿真进行验证。　　关键参数是设

8、备研发的灵魂，其准确与否关系着研发项目的成败。(2)第二原则　　在研发中，必须保证高压变频器的稳定性。研发使用的元件说明文件必须保证齐全准确。在研发工作过程中，不允许出现任何影响设备稳定性的设计。当与其它要求冲突时，必须以稳定性为优先考虑。(3)第三原则　　在研发中，充分考虑降低生产制造时的成本要求。　　降低设备的生