Abstract: The design of power unit is crucially important in the high power inverter. In this paper, a structure of power unit by forced air cooling is proposed. Contour of temperature of  IGBT in the unit is obtained, and the feasibility of the method is verified by comparison between theoretical calculation and thermal simulation. Theoretic analysis and operation results confirm that the power unit has steadily run in the mine.

Key words: Power unit; High power; Forced air cooling; Thermal simulation

【中图分类号】U467.4+5 【文献标识码】B  【文章编号】1561-0330（2018）06-0000-00

1 引言

随着现代电力电子技术和微电子技术的发展、大功率的IGBT（绝缘栅双极性晶体管，Insulated Gate Bipolar Transistor）、IGCT（集成门极换流晶闸管，Integrated Gate Commutated Thyristors）等器件的日益成熟、能源价格的不断上涨、世界能源日渐贫乏、国家节能减排力度的加大等因素，高压大功率的变频调速装置的应用领域、范围和需求越来越广泛，如石油化工、冶金、电力能源等行业的各种风机、水泵、磨机等^[1]。功率单元是高压变频器中的重要组成，它是实现高压变频器调速的关键元器件，更是决定变频器的特性、体积大小等的重要因素部分。故单元设计的结构设计，不仅要考虑它的结构紧凑，还需要考虑通风散热、元器件布局合理等因素，这样才能使大功率变频器的性能指标更优、结构体积更小。因此，如何设计新型的大功率高压变频器模块单元，在实现各功率器件散热完好的同时，还可使结构更加紧凑、运行可靠、维护便捷，是结构设计技术人员亟待解决的一个难题^[2,3]。

2 电力电子器件模块损耗计算、热仿真及热测试

大功率功率单元中功率开关器件的功率损耗是整个变频器中发热量最严重的电气元件^[4]，该新型单元主要包括二极管和IGBT，二极管型号为SKKD701，IGBT型号为FF1000R17IE4输出电流均方根为900A，输出频率为50Hz，开关频率为550Hz。在PWM工作方式下，一个IGBT模块的总损耗包括单个IGBT及其并联二极管的损耗。

IGBT的损耗包括通态损耗和开关损耗，同样二极管的损耗也包括通态损耗和开关损耗，即：

将相关参数带人上述公式，可得到二极管模块的损耗为192W，IGBT模块的损耗为813.62W；故需要散热器散热的总热量为3X192+813.62X4=3830.48W；依据电气工程师提供的电路图和元器件尺寸，在仿真软件中建立仿真模型，IGBT和二极管的特征参数如表1所示。散热器供应商通过仿真软件对散热器的长宽高、翅片厚度、齿间距等进行了一系列的优化，最终得到该大功率功率单元散热器的尺寸如图表2所示。环境温度为40℃，散热器温升如图1所示。

选择合适的IGBT温升不仅是保证变频器能够长期安全可靠工作的基础，也是实现产品效益最大化的依据。从图1中可看出，散热器在环境温度为40℃的条件，IGBT和二极管的温升值在41K。

对IGBT来说，在任何工作条件下，都不允许超过其最大结温。IGBT的结温表达式如下：

由以上公式可知，对于一定型号的IGBT，如果工作条件是一定的，IGBT的结壳温升也是确定的。根据目前高压变频器的实际工作条件，按照IGBT输出电流为其标称电流的2/3考虑，计算目前已经应用、或者可能应用的IGBT的功耗、结壳温升等参数，不同类型的IGBT的结壳温升有如下特点：对于自带NTC的结温150°C的IGBT，其结壳温升范围为18～23K；

考虑IGBT的功耗及结壳温升计算结果，现将目前已经应用，或可能应用的IGBT的壳温上限值，建议如下：对自带NTC的结温150°C的IGBT，按前述规则，结温使用上限为125°C；据上述计算结果，结壳最大温升23K，故壳温上限应为100°C。但是，考虑NTC检测到的壳温，受其在IGBT内的放置位置及外部通风条件的影响较大；而且一个单元内部，不同位置的IGBT的散热条件也存在一定的差异，为此预留10K的温升裕量，将这类IGBT的壳温上限设为90°C，单元中所有这类IGBT的超温保护值不应大于90°C。

因IGBT壳温是由IGBT自身特性、工作环境、工作状态、散热系统等共同决定，IGBT的工作环境温度考虑变频器工作温度范围的上限40°C，作为热分析的基础。根据以上壳温定义，IGBT的使用温升建议为： 对IGBT超温保护值不大于90°C的IGBT，其温升使用上限为50K，或检测到的最高温度不超过90℃。

综上所述，可知二极管和IGBT的温升值41K＜50K，满足相应的温升标准。

3 结构设计及其相关测试实验

根据上述热分析结果，依据电气工程师提供的元器件型号查询相关datasheet，通过solidworks2012建立三维模型，对该型号的大功率功率单元进行了结构设计，三维模型如图2所示。为了防止电磁干扰，在自制IGBT驱动板和单元控制板、电源板之间增加了覆铝锌板。

测试人员对单元进行了散热器能力、单双脉冲、IGBT驱动、温度跳变等测试。为控制板下载单双脉冲测试程序后，通过调整脉冲宽度，调整输出电流大小，观察输出电流波形；测得的波形如图3和图4所示。

为防止干扰，需要远离直流母排进行测试；用差分探头测试IGBT的驱动信号，驱动信号震荡较大；将驱动测量处引出进行测试，发现测量远离母排后驱动信号波形正常；得到波形如图5所示。

4 结束语

本文对某项目6kV7500kW变频器功率单元元器件的损耗进行了理论计算、热仿真分析，并对单元的结构进行了设计、测试等；从上述数据表明，该型号大功率的功率单元可以稳定可靠运行，已经量产。

参考文献

[1]田齐金,李忠峰,申大力,凡念.一种超大功率高压变频器:中国,201610362834.6[P]. 2016-10-26.

[2]仝爱星,张育铭,甘鸿坚,马少才,应建平.一种大功率高压变频器功率单元:中国,20111318870.X[P].2013-04-24。

[3]丁振荣.一种高压大功率变频器:中国,201010148226.8[P].2010-09-15.

[4]胡建辉,李锦庚,邹继斌,谭久彬.变频器中的IGBT模块损耗计算及散热系统设计[J].电工技术学报,2009,24(3),159-163.

作者简介

张英锋 （1989-） 男 硕士 助理工程师，研究方向为电力电子技术及其高低压变频器、水冷变频器等研发