关键词:功率单元；风冷；热仿真

1. 引言

随着现代电子电力技术的发展，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^[1]。功率单元是高压变频器的核心，它是实现变频器调速的关键部件，更是决定高压变频器的特性、体积大小等的重要因素。因此，如何设计新型大功率变频器的功率单元，是结构设计技术人员亟待解决的一个难题^[2,3,4]。

2. 电子器件模块损耗计算、热仿真及热测试

功率单元中开关器件的功率损耗决定整个大功率变频器发热量 ^[6]，其分体单元包括整流功率单元和逆变功率单元，整流单元的发热器件为二极管西门康SKKD701/16；逆变单元的发热器件为IGBT（型号为FF600R17ME4），输出频率为50Hz，开关频率为450Hz。

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：

                   （1）

式（1）中，IGBT通态损耗

            （2）

IGBT开关损耗

            （3）

二极管通态损耗

     （4）

二极管开关损耗

                 （5）

二极管模块损耗计算

                      （6）

     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422W；整流散热器的总功耗为3X192=576W；逆变散热器的总功耗为4X422=1688W；依据电气工程师提供的电路图和电器件尺寸，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，最终得到整流功率单元散热器和逆变散热器的温升效果图分别如图1和图2所示，环境温度为20℃，单元进口风速按照公司制定的标准4m/s进行仿真分析，散热器基板和翅片的材料均为6063-T5。

图1 整流散热器的温升图

图2 逆变散热器的温升图

选择合适的IGBT和二极管不仅是保证高压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和图2中可看出，两个散热器上的电子器件温升也没超过元件限定的温升标准，公司制定标准和相关依据详见本人在2018年6期和12期在《变频器世界》上发表的两篇文章^[4,5]。从图1中可看出，二极管的温升为31-20=11K，远小于所要求的的温升上限；从图2中看出，FF600R17ME4的温升为53.3-20=33.3K<50K，满足温升标准；可知，整流散热器和逆变散热器均可在环境温度20℃的条件下，满足温升标准。

3. 结构设计及其相关测试实验数据对比

根据上述热分析结果，依据电气工程师提供的电器件型号查询相关datasheet，通过solidworks2012建立三维模型，对整流单元和逆变单元进行了结构设计，三维模型分别如图3和图4所示。为了方便拆卸、增加弹性，整流单元和逆变单元在功率柜内部链接排设计为如图5形式。

图3 整流功率单元三维模型

图4 逆变功率单元三维模型