脉冲电源水冷散热设计及有限元分析

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100 kW脉冲电源样机验证了该优化方案的实用性和有效性。     

IGBT模块结壳热阻快速计算法研究

热阻是评价IGBT可靠性的重要指标。寻找简便高精度的测量方法对IGBT热阻进行测试具有十分重要的意义。根据JESD51—14中的瞬态热阻抗定义式,提出了一种可以快速、准确计算IGBT模块结壳热阻的方法。建立了根据不同散热系数下模块结温变化曲线的分离点求解模块结壳热阻的计算模型,制定了试验求解具体步骤。对所提出的方法和所设计的计算模型进行仿真研究和试验研究,并在实验室条件下验证了其可行性。     

直流升压斩波模块液冷散热系统的研究

针对直流升压斩波电路中功率模块的散热问题,提出一种在工程设计上简单实用的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)功率损耗的计算方法,该方法包含基于相似理论的液冷散热系统的热路等效热阻求解公式,以及一种直流升压斩波模块液冷散热系统的一、二次冷却结构参数设计方法,解决了IGBT冷却系统参数难设计的问题。实验以DYNEX的DIM800ECM33-F000型IGBT液冷散热系统设计为例,依此方法得到理论结果,按照此结果设计的散热系统在现场运行情况良好,证明此设计方法切实有效。     

一种考虑热扩散和热耦合的IGBT模块热阻抗模型

针对传统热等效电路模型对IGBT模块结温计算误差较大的问题,提出一种基于传热研究的IGBT模块等效热阻抗模型。通过对IGBT模块内部传热研究,以热流密度变化规律确定热扩散角,由此计算出热网络参数并建立改进的单芯片Cauer网络等效电路模型。然后在此基础上,考虑多芯片之间的热耦合效应,计算出自热热阻和耦合热阻并建立IGBT模块热阻抗矩阵,利用线性叠加原理可对各芯片的结温进行预测计算。最后,将等效热阻抗模型计算出的结温与有限元仿真值进行比较,验证了该模型的有效性与准确性。     

逆变器中IGBT模块的损耗计算及其散热系统设计

介绍了一种在工程上比较适用的IGBT模块损耗的理论计算方法,并将其计算结果与厂家给出的仿真结果相比较,精度满足设计要求.在计算出IGBT模块损耗后,利用散热系统热阻等效电路,求出散热器热阻,进而设计出符合逆变器的强迫风冷散热系统.最后,通过ICEPAK软件对散热器进行仿真,由仿真结果表明散热器达到要求.     

间歇式工作的大功率有轨电车充电模块热设计

随着新型储能式有轨电车的推广,大功率充电装置的功率密度越来越高,为解决间歇式工作模式下充电模块散热系统评估手段缺乏的问题,介绍了一种间歇工作模式下大功率有轨电车充电模块的散热系统设计方法.通过计算充电模块工作的功率损耗、热阻需求来进行风扇和散热器选型,阐述了针对间歇式工作的大功率充电模块的散热系统设计方法,采用Flotherm软件进行了热仿真,最后通过试验验证了热设计方法的可行性.     

基于Ansys的大功率IGBT模块内部传热研究

采用Ansys软件对大功率IGBT模块内部的传热机理进行分析研究,观察其对应不同功率等级下的IGBT内部传热情况,最后通过IGBT芯片到铜基板底面的不同温度来计算芯片的结壳热阻.对IGBT模块的热性能进行预评估,以便更好地为设计人员提供设计方案的依据.而且以搭建的实验平台为基础,测得一系列实验数据,并与仿真模型的结果进...     

2MW风电变桨伺服驱动器IGBT损耗计算及散热系统设计

提出了一种比较准确且实用的计算IGBT模块通态损耗和开关损耗的可行方法,在计算出IGBT模块损耗后,利用热阻等效电路法推导得出了IGBT模块及散热器各点温度的计算公式,并给出了散热器热阻的经验计算公式。在此基础上设计了一款2 MW风电变桨伺服驱动器的散热系统,建立了实验电路,并测量了散热器的实际工作温度,与计算结果进行对比,从而证明了设计的合理性。     

大功率高压变频器的功率单元热沉研发

在对兆瓦级高压变频器研发中,大功率功率单元的散热是研发的关键,在对大功率IGBT的热设计中,根据IGBT和DOIDE的参数特性,计算其热损耗功率。结合热分析公式研发变频器功率单元的热沉系统,并利用相关的热分析行业软件,完成300A电流等级的通用功率单元的热设计。     

大功率变流装置IGBT模块冷却性能分析研究

对某大功率电力机车绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块损耗和壳温进行计算,并利用FloEFD仿真软件对IGBT进行散热仿真分析,最后通过试验对实际工况中IGBT壳温进行测试推算。IGBT壳温的计算值、仿真值及测试值接近,证明了IGBT模块冷却设计方法的可行性、准确性,并利用该冷却设计方法对6 500 V/750 A IGBT(FZ750R65KE3)载流能力进行分析,得出该型号IGBT在实际应用中最大载流极限值,对大功率功率单元设计、试验及应用具有指导意义。     

一种IGBT接触热阻的估算方法

电动汽车电机控制器的关键模块IGBT由于集成度高、发热量大,容易烧毁,亟需对其散热结构进行仿真分析与结构优化。对IGBT散热结构的仿真分析,必须先确定所需的几何物理边界条件和热物性边界条件,其中IGBT与散热器之间的接触热阻是关键的参数之一。但接触面的导热硅脂涂层的热特性及IGBT模块与散热器的接触情况并不明确,为此建立了黑匣子模型,采用黑匣子逼近试算的热仿真分析方法,通过实验和FLUENT软件热仿真对比的手段成功地估算出了黑匣子的导热系数,并进一步验证了估算得到的接触热阻的合理性,为以后的仿真和优化分析奠定了基础。     

计及焊层疲劳影响的风电变流器IGBT模块热分析及改进热网络模型

针对不同疲劳寿命时期对风电变流器绝缘栅双极型晶闸管(IGBT)模块结温的影响,分析焊层在不同脱落度下的IGBT模块热阻变化规律,并建立考虑热阻变化的改进热网络模型。首先,依据风电机组变流器IGBT模块的结构和材料属性,建立三维有限元热-结构耦合分析模型,对基板焊层和芯片焊层在不同脱落度下IGBT模块结温和热应力的分布规律进行仿真分析。其次,确定不同焊层脱落度下其热阻增量值,并建立IGBT模块改进热网络模型。最后,将三维有限元模型和改进热网络模型的结温计算结果进行对比分析,验证了所提的改进热网络模型的有效性。     

电动飞机电机控制器风冷散热结构的计算与改进

根据电动飞机的飞行剖面,建立了电机控制器的系统损耗及IGBT模块的热阻网络模型,对电机控制器IGBT模块的温度进行计算。以轻量小型化为目标,对电机控制器的散热结构进行了改进。MATLAB/Simulink系统仿真试验和地面台架样机试验结果表明:改进的风冷散热器能够满足电动飞机电机控制器的散热需求,且重量降低5%。     

直接冷却IGBT功率模块散热性能研究

电力电子设备元器件的温度是影响电力电子设备性能和可靠性的关键因素之一。在IGBT功率模块散热方面,目前的研究热点之一是在模块的设计阶段应用直接冷却技术,将散热鳍片集成在功率模块的铜基板上。这种结构使IGBT模块在安装固定时不再需要通过导热界面材料来连接模块铜基板和支撑底板,因而使模块的总热阻大大降低。本文对自主研发的二合一直接冷却IGBT功率模块进行了仿真试验研究,并对比了传统间接冷却模块的散热性能,试验结果表明直接冷却模块的热阻最高降低了33%,而且温度场分布也更加均匀。仿真结果与试验结果一致,证明了仿真模型的准确性。     

基于集总参数法的IGBT模块温度预测模型

从IGBT模块的内部结构和故障机理分析,得到影响IGBT模块可靠性的主要因素是温度的结论,而IGBT模块各层的温度是很难用实验的方法测取的。为了解决这一问题,在分析IGBT模块内部导热机理的基础上,利用瞬时非稳态导热的集总参数法建立热网络模型,并给出热损耗值、等效热阻、等效热容的提取方法。通过与制造商提供的IGBT模块结温实验数据、实测的底板温度和有限元模型相比较,热网络模型温度预测误差小于5%。     

多芯片组件基板的热效应分析

针对大功率多芯片模块,建立了简化传热模型,利用有限元数值方法,对其热阻和温度场进行了稳态和瞬态分析.模拟结果表明:模块的散热方式以热传导为主.由芯片到外壳底面的热通路为主要散热途径,采用导热性能好的基板是非常有效的散热方案:绝缘层热阻占整个基板热阻的65%;模块设计时要尽量减小功率互连引线的寄生电感和电阻.合理安排功率管芯位置,要求布线尽量短而宽.多个功率芯片要尽量均匀分布于基板上,以此降低结温,避免热集中现象.     

绝缘栅双极晶体管模块温度的快速求解算法

在绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块的高效散热设计、变流器系统的长期可靠性评估等方面,通常需要了解IGBT模块温度,而现有模型及方法仿真耗时严重,难以实现IGBT模块温度的快速求解。针对该问题,文中借鉴直接法的思想,提出了一种新的IGBT模块温度快速求解算法。基于拟合及插值算法,推导并建立了IGBT模块功率损耗模型;基于电热比拟理论,探讨并建立了集中参数的IGBT模块等效Cauer传热网络模型,并将传热微分方程差分化;最终,在同一电路仿真器中构建出IGBT模块温度的快速求解算法。在两电平三相逆变器的算例中,通过与英飞凌IPOSIM的温度计算结果对比,表明文中算法最大误差为3.01%,且温度变化趋势与IPOSIM基本一致;通过与传统基于IGBT器件物理模型、热网络组件模型的计算时间对比,表明文中算法计算速度提高了近1 255倍。     

变频器中的IGBT模块损耗计算及散热系统设计

提出了一种设计变频器散热系统的实用方法,建立了比较准确且实用的变频器中IGBT(绝缘栅型双极晶体管)模块的通态损耗和开关损耗的计算方法,考虑了温度对各种损耗的影响,采用热阻等效电路法推导得出了散热器及功率器件各点温度的计算公式,并给出了散热器热阻的实用计算公式.在此基础上设计了一套采用强迫风冷的散热系统,计算结果与试验结果的对比,验证了该设计方法的合理性与实用性.     

车用双面散热功率模块的热-力协同设计

双面散热(DSC)功率模块可以降低封装热阻和寄生参数,是车用电机控制器的发展趋势。然而,双面散热功率模块内的热-力交互作用机制尚不明晰,且缺少热-力协同的设计方法。为了克服热阻与应力之间的相互制约,该文提出一种多目标协同的双面散热功率模块设计方法。建立了双面散热功率模块热学和力学性能的数学模型,表征材料属性和封装尺寸对功率模块性能的影响,并利用有限元分析(FEA)方法进行验证。此外,提出双面散热功率模块的多目标优化设计模型,协同提升功率模块的热-力性能,并给出基于非占优遗传算法的求解方法。最后,基于所提出的多目标协同设计方法,对比研究了封装材料属性对优化设计结果的影响。     

基于热电模型的压接式IGBT短路特性分析

压接式IGBT模块由于其容量大、可靠性高且具备短路失效模式,被广泛应用于电力系统大功率变换器。该文首先提供一种压接式IGBT模块(4 500 V/1 800 A)的热电模型,并通过实验结果验证模型的准确性;然后对大功率压接式IGBT的2类短路过程进行理论分析和仿真分析,研究不同参数和工况对压接式IGBT短路特性的影响。仿真分析结果为变换器的结构、散热和驱动保护设计提供了一定的参考依据。