脉冲电源水冷散热设计及有限元分析.pdf

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1、第48卷第12期电力电子技术Vo1．48，No．122014年12月PowerElectronicsDecember2014脉冲电源水冷散热设计及有限元分析黄西平，黄烨琳，孙强，陈桂涛(西安理工大学，自动化与信息工程学院，陕西西安710048)摘要：针对大功率脉冲电源中IGBT模块瞬时发热量大的问题，提出了一套水冷散热解决方案。给出了IGBT模块损耗的快捷估算方法，详细分析了IGBT的散热途径。推导出了IGBT的热阻模型和水冷条件下散热器的热阻折算方案。利用仿真软件ANSYS建立了热分析模型。通过模拟脉冲电源工作时的热场状况对散热系统进行了优化。最后，在此通过搭建100kW脉冲电源

2、样机验证了该优化方案的实用性和有效性。关键词：脉冲电源；散热系统；有限元分析中图分类号：TM531文献标识码：A文章编号：1000—100X(2014)12—0035—03DesignandFiniteElementAnalysisofWaterCoolingf0rIGBTsinPulsePowerSupplyHUANGXi-ping，HUANGYe-lin，SUNQiang，CHENGui—tao(xi’帆Un~enityofTechnology，Xi’an710048，China)Abstract：AwatercoolingsolutionforIGBTmoduleusedby

3、high—powerpulsedpowersupplyisused．Aquickesti—matemethodofthelossofIGBTmoduleandthermalpathoftheIGBTareanalysed．TheIGBTthermalresistancemodelunderconditionsofawatercoolingsystemisdeduced．ThethermalmodelandoptimizecoolingsysteminAN—SYSisbuilt．Finally，a100kWprototypepulsepowersupplyisbuiltandthep

4、racticalityandefectivenessareverified．Keywords：pulsepowersupply；coolingsystem；finiteelementanalysis1引言9075大功率脉冲电源输出电流尖峰所造成的瞬时6045热效应已成为电源故障的主要原因之一。为了确30保电源安全可靠的运行．设计效率更高的散热系15统十分必要。文献[1]提出了一种数学估算IGBTUce／V损耗的方法。文献[2】从IGBT结构上分析了IGBT图1与，c关系曲线真实发热及导热途径。文献[3—4]提出了IGBT计Fig．1TherelationshipCU~eSofUan

5、dl。算损耗的几种仿真模型。在此结合文献及工程实图1中实、虚线分别为IGBT结温=25oC，践提出一套IGBT热设计方案，包括IGBT损耗快125oC时关系曲线。计算以=125oC曲线为准。按速分析、热阻模型等效、ANSYS有限元优化等，实照图中辅助线，IGBT模块通态功率损耗为：验验证了该方案的快速性及可行性。=，cD=106W(1)2IGBT模块损耗计算IGBT模块开关损耗包括开通和断损耗两部IGBT模块损耗主要包括通态损耗、开关损分。由数据手册得IGBT模块开通损耗能量和耗。以FF450R12ME3为例，在开关频率为2kHz，关断损耗能量曲线如图2所示。占空比D=lO％。集电

6、极电流为500A的工况条件下对其损耗情况进行分析。IGBT模块通态损耗为集射压降与通态集电极电流，c的乘积。由数据手册得与，c关系如图1所示。If图2厶与开关损耗关系曲线定稿日期：2014—08—21Fig．2TherelationshipCU~eSofswitchinglossand作者简介：黄西平(1963一)，女，江西人，副教授，研究方向为先进控制技术及开关电源。按照图中辅助线。估算开关损耗为：35第48卷第l2期电力电子技术Vo1．48，No．122014年12月PowerElectronicsDecember2014PE74W，p~r=EM"=144W(2)3．2散热器热

7、阻范围的计算IGBT断态时电流很小，因此忽略断态损耗，通过数据手册查得R。和，当环境温度计算可得IGBT模块总损耗：为40℃(313．15K)时，有：f=PI+P,~=324W(3)=(Rthjc++Rt}Ila)+Ta=324R,h~+316．066K(5)利用数据手册能够快速计算出模块的损耗实际设计中，考虑接触热阻、运行环境等影值，满足工业应用要求。但精确性不及数学推导分响，芯片结温应留有一定裕量。最高结温～通常析，精度要求较高的情况下不太适用。应限制不高于100