关键词：大功率  风冷  热仿真 一体化

Abstract：The design of power unit is crucially important in the high power inverter. In this paper, a structure of forced air cooling power unit is proposed. Temperature rise of diode and IGBT in the unit is obtained, and the feasibility of the method is verified by comparison between theoretical calculation and thermal simulation.

Key word：High power; Forced air cooling; Thermal simulation; Integrated power unit

1. 摘要

随着现代电子电力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）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，大功率高压变频调速装置的应用领域、范围也越来越广泛，如石油化工、冶金、电力能源等行业中的各种风机、水泵、磨机等^[1]。为克服小功率风冷单元的功率适用等级的不足，本公司开发设计了一种风冷型大功率功率单元。

2. 热设计与仿真

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^[2,3]，该一体化单元包括整流部分和逆变部分，整流单元的发热器件为二极管西门康SKKD701；逆变单元的发热器件为IGBT（型号为FF1000R17IE4），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：

将相关参数带人上述公式，可得到二极管模块的损耗为300W，IGBT模块的损耗为889W；风冷散热器的总功耗为3X300+4X889=4456W；依据电气工程师提供的电路图和datasheet中的尺寸，在仿真软件中建立仿真模型。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，最终得到散热器的温升效果图分别如图1所示，环境温度为40℃，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。

表1  散热器参数

3. 结构设计

依据上述仿真分析结果和电气工程师提供的电气件型号，建立相关三维模型并对功率单元进行结构设计如图2所示。

该功率单元是一种高度集成化的功率单元，包括风冷散热器、二极管、IGBT、复合母排、吸收电容、薄膜电容、单元框架等。

结构布局上，薄膜电容在单元下部，风冷散热器及其电气件在上部并倒置放置；薄膜电容之间通过复合母排连接；散热器其上依次布置整流二极管、逆变IGBT和放电电阻、复合母排、吸收电容等；IGBT复合母排和电容复合母排通过单元的两侧螺钉连接到一起；功率单元的电源板、整流控制板和逆变控制板单独放在控制箱体内部、并通过SMC绝缘板隔开，放置在散热器的上部，极大地减少了干扰和电感等；箱体的上封板增开了散热孔，方便控制板的散热；

功率单元散热器采用某公司组合型材系列散热器，具有可长宽高任意定尺，单元交流输入和交流输出分别布置在单元前侧和后侧；单元前部安装了拉手，方便单元的安装和拆卸；由于此单元重量较大，专门为此单元定制了安装小车，方便单元的拆卸与安装；

前后支撑板上留设有薄膜电容散热风道的长腰孔，方便为其进行散热；也留设长方形孔，增设了绝缘板防护，方便进线出线铜排穿过，也防范了进线和出线涡流现象的产生，单元冷却效果更好；

单元后侧设计增加了熔断器，增加了单元抗过电流能力；

与公司现有风冷功率单元相比，该功率单元具有以下优点：

1.集成了电容，结构紧凑，提高了单元的空间利用率，也为后期大功率高压变频器的设计提供了技术基础；

2.电容单元之间、IGBT之间均采用了叠层复合母排；单元的控制板离复合母排、电子器件较远，并采用绝缘板隔开；均可减少了干扰和杂散电感；

3.该单元为模块化设计、可扩展性较强，可作为不同电压等级高压变频器的功率单元；

4.该功率单元可覆盖6kV 7500kW、10kV 12500 kW以下的容量高压变频器；

5.此外，上部控制箱体、与风冷散热器、IGBT和复合母排单独组成一个部件，可方便地进行拆卸，方便了控制板和IGBT部件等更换。

4. 结论

通过理论计算、仿真分析，设计了风冷散热器的大小尺寸和结构，进而确定了功率单元的结构布置，验证了方案的可行性。目前该功率单元已完成设计进入采购阶段，很快将进入到生产装配。

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]张英锋.大功率风冷功率单元的设计与研发[J].变频器世界,2018,6,74-76.

[3]张英锋.应用仿真软件对功率单元散热器进行设计优化[J].变频器世界,2018,12,101-103.

作者简介：王娇（1988.6-），女，硕士，中信重工机械股份有限公司，工程师，研究方向：磨机电控钣金设计与工艺。

通讯作者简介：张英锋（1989.4-），男，硕士，中信重工机械股份有限公司，工程师，研究方向：电力电子技术及其高低压变频器、水冷变频器等研发。