基于IGBT的大功率驱动器热性能研究.pdf
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1、第 卷 年第 期 月.基于 的大功率驱动器热性能研究张琴琴 杨建宏 刘作昌 马彬彬 关兴邦(西安航天动力测控技术研究所 西安)摘 要:针对高电压、大电流的大功率工况下 频繁开关动作导致发热极其严重的问题 分析计算了 的发热情况 总结出了减小 发热的方法 设计了 的散热结构 分析了散热结构的散热性能 通过实际工况验证 证实了 热损耗估算方法的可行性、散热结构设计的科学性、散热结构散热性能热阻计算方法的合理性为高性能、高电压、大电流驱动器的研制提供了有效的借鉴和参考关键词:热损耗 散热结构 热阻计算中图分类号:文献标志码:文章编号:()():.:收稿日期:作者简介:张琴琴()女 硕士 高级工程师
2、研究方向为电机驱动控制 引 言 是集双极型功率晶体管和功率 的优点于一体 它是一种电压型控制器件 兼有 的高输入阻抗和 的低导通压降两方面的优点 在大功率变频器、高压大电流电机驱动器中得到了广泛应用 它作为一种开关器件 在高压大电流长时间负载运行工况中 长时间频繁的开通关断会引起 模块发热严重 导致系统无法正常工作 它作为驱动器逆变电路的核心器件 它的可靠运行直接决定着电机驱动器的可靠性和使用寿命 本文重点研究 模块在高压大电流电机驱动器应用中的热损耗计算和散热结构散热性能计算分析 热分析计算 器件损坏一般是由过流、过压、过热引起 在器件选型上基本可以解决过流、过压问题但在高压大电流长时间负载
3、运行工况中 必然过热 这成了它的致命点 为了 安全可靠工作 必须确保其结温 不超过最大承受结温 本节分析了 的发热情况 计算了 的发热功率 热分析 模块由 本体和续流二极管 组成 它们的各自损耗将转化为热量而引起 模块发热 它们的热损耗分别由通态损耗和开关损耗组 卷成 通态损耗通过稳态输出工况特性计算 开关损耗通过集电极电流特性来计算 各损耗合计为 模块总损耗 其损耗关系如图 所示图 模块损耗关系图由图 可知 总损耗 由 本体损耗 和 内部集成续流二极管 损耗组成 本体损耗包含其稳态损耗 和开关损耗 开关损耗由其开通损耗()和关断损耗()组成 续流二极管 的热损耗包含 稳态损耗 和开关损耗()
4、热计算 本体损耗 本体损耗中的稳态损耗主要由 在导通时的饱和电压()和 的结热阻产生 在开通状态的损耗可用式()表示 在本系统中 按最差发热工况分析 的稳态损耗用式()计算 稳态平均功耗是:()()()()在该 应用中 近似通态损耗为()()式中()为 饱和压降 查 数据表可得 为集电极电流 根据最大点计算 相电流为 由式()可得:()()本体损耗中的开关损耗主要是由于 开通和关断过程中电流 与电压 有重叠 进而产生开通损耗和关断损耗 若精确计算 需要测量开关过程 和 的波形 对其进行积分(积分时间是开通时间 或关断时间)在此 选取()计算()()的积分面积是以焦耳为单位的开关能量 开通损耗和
5、关断损耗的计算分别见式()和式()开通损耗计算公式:()()()()()关断损耗计算公式:()()()()()本系统中 根据该驱动器的 驱动波形、驱动波形的上升沿图形、驱动波形的下降沿图形 分别如图 图 所示 由图 可得出开通、关断时间以及载波频率的关系 开通、关断时间占一个载波周期 的一小部分 利用式()和式()可近似求得 的开通损耗()和关断损耗()该驱动器载波频率为 周期为 图 驱动器驱动波形图 驱动波形的上升沿图形图 驱动波形的下降沿图形由图、图 可得 驱动波形的上升时间为 下降时间为 ()()()()()()()()期张琴琴等:基于 的大功率驱动器热性能研究则 的开关损耗为()()由
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