1逆變器模塊

　　2006年4月我們開發(fā)了一款電動(dòng)汽車用逆變器。一共用了4個(gè)IGBT，右邊是3個(gè)型號(hào)為FF1200R17KE3-B2的IGBT，主要功能是逆變（該模塊以下簡(jiǎn)稱為逆變模塊）；左邊是1個(gè)型號(hào)為FF300R17KE3的IGBT，主要功能是斬波或制動(dòng)（該模塊以下簡(jiǎn)稱為斬波模塊）。該逆變器的散熱方式為強(qiáng)迫風(fēng)冷，風(fēng)機(jī)安裝在散熱器的底部，進(jìn)風(fēng)方式為抽風(fēng)。3個(gè)逆變模塊為主要工作模塊。

　　通過查找IGBT的參數(shù)，并經(jīng)過計(jì)算得出：在峰值功率下各逆變模塊的發(fā)熱量為1016W，由于斬波模塊的工況比較復(fù)雜，估算其發(fā)熱量為200W，則總功耗為3248W；在額定功率下各逆變模塊的發(fā)熱量為574W，斬波模塊的發(fā)熱量為100W，則總功耗為1822W。

　　2散熱器熱傳遞的分析

　　IGBT產(chǎn)生的熱量通過熱傳導(dǎo)的方式由管殼傳到散熱器，然后通過強(qiáng)迫風(fēng)冷的方式傳到外界環(huán)境中去（散熱器安裝在逆變器的外部）。為減少管殼與散熱器之間的熱阻，首先要求散熱器的安裝表面粗糙度達(dá)1.6以上，其次在管殼的底部均勻涂滿導(dǎo)熱硅膠或者加墊一層導(dǎo)熱系數(shù)大而硬度低的純銅箔或銀箔，并用一定的預(yù)緊力壓緊。

　　3散熱器的仿真分析

　　計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（ComputationalFluidDynamics，簡(jiǎn)稱CFD）是通過計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示，對(duì)含有流體流動(dòng)和傳熱等相關(guān)物理現(xiàn)象進(jìn)行的系統(tǒng)分析。CFD的基本思想是把原來在時(shí)間域和空間域上連續(xù)的物理量的場(chǎng)，如速度場(chǎng)，溫度場(chǎng)，壓力場(chǎng)等，用有限個(gè)離散點(diǎn)上的一系列變量值的集合來代替按照一定的原則和方式建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上場(chǎng)變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組，然后求解代數(shù)方程組獲得場(chǎng)變量的近似值。

　　近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，科研開發(fā)周期的縮短，人們廣泛應(yīng)用CFD技術(shù)建立各種工業(yè)環(huán)境流體力學(xué)的模型和仿真環(huán)境，得出結(jié)論，并在原來的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)算，以得出滿足要求的最佳方案。ICEPAK軟件是專業(yè)的電子熱分析軟件。借助ICEPAK軟件的分析和優(yōu)化結(jié)果，用戶可以降低設(shè)計(jì)成本，提高產(chǎn)品的一次成功率，改善電子產(chǎn)品的性能，提高產(chǎn)品可靠性，縮短產(chǎn)品的上市時(shí)間。以下均是用ICEPAK軟件進(jìn)行仿真分析的結(jié)果。

　　散熱器基板的尺寸為680mm×430mm×20mm，翅片的尺寸為390mm×80mm×2mm，翅片的截面為長(zhǎng)方形，翅片間距為4mm，逆變模塊間的間距為30mm，逆變模塊與斬波模塊間的間距為20mm，環(huán)境溫度為20℃，未加說明的冷卻風(fēng)機(jī)均采用鼓風(fēng)方式。以以上散熱器的尺寸為原形，在額定工況下（除特別說明外），選擇不同的參數(shù)對(duì)其進(jìn)行了仿真分析。

　　3.1翅片厚度的選擇選擇

　　翅片間距為4mm，翅片高度為80mm，翅片厚度為1mm，1.5mm，2mm，2.5mm或3mm（超過3mm風(fēng)阻太大）。

　　可知，隨著散熱器翅片厚度的增加，散熱能力增強(qiáng)。但是翅片厚度超過2mm后，散熱的增幅明顯變小，所以選用2mm厚的翅片比較合適。

　　3.2翅片間距的選擇

　　選擇翅片高度為80mm，翅片厚度為2mm，翅片間距為3mm，4mm，5mm，6mm或7mm.

　　說明翅片間距越小，散熱能力越強(qiáng)。由于受工藝條件的限制，目前翅片能加工到的最小間距為4mm，所以選用4mm的翅片間距是合理的。

　　3.3翅片高度的選擇

　　選擇翅片厚度為2mm，翅片間距為4mm，改變翅片高度，即為90mm，80mm，70mm，60mm或50mm。

　　當(dāng)翅片高度達(dá)到80mm后，溫升的幅度很小，再增加高度幾乎是無用的，所以翅片高度達(dá)80mm為極限高度。此逆變器選擇翅片的高度為80mm。

　　3.4基板厚度的選擇

　　基板在14～22mm之間，隨著基板厚度的增加，垂直于基板方向的熱擴(kuò)散能力增強(qiáng)，使溫升逐漸減小，但不同基板厚度之間的溫升幅度變化較小，因此選擇基板的厚度時(shí)，主要是考慮基板的強(qiáng)度。

　　3.5模塊間間距的選擇

　　4個(gè)模塊間的間距分別選擇為：30mm，40mm，40mm；20mm，30mm，30mm；10mm，20mm，20mm；5mm，10mm，10mm.對(duì)它們進(jìn)行分析，其前后兩者之間的最高溫差分別為1.43K，1.45K，2.1K，由此可見，選用間距太寬，對(duì)模塊的散熱沒有多少作用，因此選用間距為10mm，20mm，20mm比較合理。

　　考慮到該逆變器結(jié)構(gòu)布置，選用模塊間的間距為20mm，30mm，30mm比較合適。

　　3.6對(duì)抽風(fēng)與鼓風(fēng)的情況進(jìn)行比較

　　選擇翅片間距為4mm，翅片高度為80mm，翅片厚度分別為1mm，2mm或3mm，將鼓風(fēng)方式改變?yōu)槌轱L(fēng)方式.可知，風(fēng)機(jī)為鼓風(fēng)時(shí)，翅片越厚，散熱效果越好，但為抽風(fēng)時(shí)，翅片達(dá)3mm時(shí)，風(fēng)阻明顯增大，導(dǎo)致溫升比翅片厚度為2mm時(shí)要差。

　　因此抽風(fēng)效果劣于鼓風(fēng)方式。但由于車上受空間限制，該逆變器采用的是抽風(fēng)方式。

　　圖4為額定工況下，翅片間距為4mm，翅片高度為80mm，翅片厚度為2mm，基板厚度為20mm，各模塊間間距分別為20mm，30mm，30mm，采用抽風(fēng)方式的仿真分析結(jié)果。圖5為峰值工況下，其余條件與圖4相同的仿真分析結(jié)果。

　　3.7風(fēng)機(jī)的選擇：

　　仿真分析的結(jié)果與風(fēng)機(jī)的選型有關(guān)。選擇風(fēng)機(jī)時(shí)，需要考慮的因素很多，諸如空氣的流量，風(fēng)壓，風(fēng)機(jī)的效率，空氣流動(dòng)速度，通風(fēng)系統(tǒng)的阻力特征，環(huán)境條件，噪聲，體積和重量等等，其中主要參數(shù)為風(fēng)量和風(fēng)壓。

　　經(jīng)計(jì)算該逆變器的總風(fēng)量要求為2040m3/h（1200CFM），風(fēng)壓為201Pa.我們選型的風(fēng)機(jī)（P22072HBL）的實(shí)際工作點(diǎn)的風(fēng)壓能滿足要求，風(fēng)量是通過并聯(lián)的3臺(tái)風(fēng)機(jī)來滿足要求的。由于翅片間的間距為4mm，翅片高度達(dá)80mm，所以要求的風(fēng)壓很高。

　　由于選型風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓與風(fēng)量都留有裕量，故都能滿足表2中翅片間距為3mm與表3中翅片高度為90mm的要求。

　　4試驗(yàn)情況與結(jié)果

　　由此可知，分析結(jié)果與試驗(yàn)情況比較接近，說明分析能起到指導(dǎo)設(shè)計(jì)的作用。

　　該逆變器經(jīng)過地面考核，裝于北京公交公司的無軌電車上。在額定工況下，經(jīng)過對(duì)逆變器的運(yùn)行情況跟蹤，運(yùn)行正常。

　　5結(jié)語

　　該逆變器于2006年7月裝于北京公交公司的104路無軌電車上試運(yùn)行，2006年底開始批量生產(chǎn)。此后裝有該逆變器的無軌電車在203路和208路線上運(yùn)行。到目前為止（經(jīng)歷了盛夏的考驗(yàn)），該逆變器運(yùn)行可靠，未發(fā)生過因散熱器的溫升過高而導(dǎo)致主要器件（如IGBT，電力電容）受損的嚴(yán)重故障。目前以該種逆變器為原型，衍生出許多系列的逆變器，主要用于北理工奧運(yùn)純電動(dòng)車，廣州電車以及多種混合動(dòng)力汽車。