引言

為了提高動(dòng)力設(shè)備的電力利用效率，變頻器得到了越來越廣泛的應(yīng)用，變頻器依靠其內(nèi)部IGBT的開通與關(guān)斷來調(diào)整輸出電流的電壓與頻率，因此其使用的IGBT模塊的可靠性對(duì)變頻器的穩(wěn)定運(yùn)行有著重要影響。溫度是影響半導(dǎo)體器件可靠工作的重要工作參數(shù)，在正常工作溫度范圍內(nèi)，半導(dǎo)體器件的結(jié)溫每上升10K，器件失效概率以近2倍的速率上升，

無底板IGBT模塊近來在小功率變頻器上獲得了廣泛的應(yīng)用。由于陶瓷覆銅基板直接與散熱器表面接觸，功率模塊的尺寸緊湊，功率芯片發(fā)熱集中，因此，如何有效降低芯片的工作結(jié)溫，對(duì)提高小功率變頻器的使用壽命和可靠性十分重要。

數(shù)值計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，使得很多工程技術(shù)問題可以被計(jì)算機(jī)很好地解決，數(shù)值計(jì)算技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于可以直觀、高效地驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否符合要求，尋找設(shè)計(jì)參數(shù)與目標(biāo)參數(shù)之間的關(guān)系。本文利用商業(yè)數(shù)值計(jì)算軟件，對(duì)IGBT模塊變頻器風(fēng)冷進(jìn)行了系統(tǒng)級(jí)熱分析，尋找改進(jìn)IGBT模塊變頻器風(fēng)冷設(shè)計(jì)的改進(jìn)方法。

本文的計(jì)算平臺(tái)為1.5kW風(fēng)冷變頻器，在計(jì)算中，保持散熱器的尺寸不變，通過比較了兩種1200V-15A模塊和不同安放方式對(duì)散熱效果的影響，得到IGBT模塊在散熱器上的最優(yōu)安放方式，并比較了正常工況下芯片結(jié)溫的差異。

計(jì)算模型

1散熱器

本文計(jì)算采用的散熱器是1.5kW變頻器所采用的翅片風(fēng)冷散熱器，材質(zhì)為鋁，長112mm，寬97mm，散熱片高50mm，根部厚2.75mm，尖部厚2mm，散熱片間距9.18mm，共計(jì)10個(gè)散熱片。

2IGBT模塊

本文計(jì)算了兩種不同封裝尺寸的IGBT模塊，分別為48mm*34mm（EasyPIM1）、67mm*39mm（A1），其中EasyPIM1是通用型IGBT模塊，A1模塊為改進(jìn)設(shè)計(jì)的模塊，兩種模塊均為無銅底板模塊，模塊電路結(jié)構(gòu)均為7單元電路，包含了二極管整流橋、制動(dòng)和三相逆變?nèi)珮螂娐?，IGBT模塊被安放在散熱器的中部。模塊DBC（直接敷銅基板）直接安放在翅片散熱器上，DBC下銅層與散熱器之間涂抹了導(dǎo)熱硅脂，以填充兩者之間的氣隙，減小接觸熱阻。DBC板由三層材料組成，中間是氧化鋁絕緣陶瓷，上下兩層是覆銅層，其中一側(cè)的覆銅層被制造出一定的圖形，以實(shí)現(xiàn)模塊芯片之間的電路互聯(lián)。

3邊界條件與材料

本文中模塊的模擬工作條件為1200V，工作電流5A，工作頻率為16kHz，由于芯片的發(fā)熱層很薄，均勻發(fā)熱，因此將芯片表面設(shè)為第二類邊界條件，其總熱流量等于芯片損耗，由模塊數(shù)據(jù)手冊(cè)查得模塊所用IGBT芯片的5A時(shí)的通態(tài)壓降為1.2V，開通損耗為0.6mJ，關(guān)斷損耗為0.5mJ，搭配的續(xù)流二極管電流為5A時(shí)的通態(tài)壓降為1.25V，開關(guān)恢復(fù)損耗為0.48mJ，假定工作時(shí)，IGBT的占空比為0.8，F(xiàn)WD的占空比為0.2，整流橋芯片的通態(tài)電壓為0.8V，功率因數(shù)為0.8。根據(jù)芯片損耗公式，，計(jì)算得到IGBT芯片、FWD芯片和整流橋二極管的損耗分別為22.4W、8.93W和0.61W。

散熱器的強(qiáng)迫冷卻氣流由軸流風(fēng)扇提供，本文為了簡化分析，將其簡化成速度流量進(jìn)口，方向垂直于進(jìn)口截面。根據(jù)風(fēng)扇說明書查得風(fēng)扇的最大流量為0.78m3/min，本文選擇風(fēng)扇的工作流量為0.6m3/min，變頻器進(jìn)口面積為65×50mm2，計(jì)算得到冷卻氣流進(jìn)口流速為3m/s，冷卻氣流進(jìn)口溫度設(shè)置為300K，由于空氣在流動(dòng)過程中壓力變化很小，因此本文將冷卻氣體理想化為不可壓理想氣體，操作壓力設(shè)為一個(gè)大氣壓，即101325Pa，流動(dòng)計(jì)算選擇湍流模型，變頻器冷卻氣流出口設(shè)為壓力出口，其背壓為大氣壓力，即表壓為0。計(jì)算的邊界條件如圖1所示。