永磁無刷直流電機控制器的散熱設(shè)計

摘要：介紹一種煤礦隔爆型永磁無刷直流電機IGBT控制器的散熱設(shè)計，通過IGBT在工作電流下發(fā)熱計算確定了散熱功率，采用FloTHERM有限元熱仿真分析出自然冷卻的散熱效果，確定散熱的基本方案，最后用實際產(chǎn)品的運行試驗類比檢驗了計算的正確性。通過計算、仿真和試驗相結(jié)合的方法，提高了設(shè)計的速度，節(jié)約了設(shè)計經(jīng)費，對其他控制器箱體熱設(shè)計和分析具有參考意義。
關(guān)鍵詞：隔爆控制器；IGBT；散熱；有限元分析

0 引言
    煤礦隔爆永磁無刷直流電機控制器采用三相矩形波電流控制永磁電機傳動系統(tǒng)，是一種電流逆變器?？刂破饔梢唤MIGBT模塊、電流傳感器、銅排、電容、溫度開關(guān)、阻容吸收器件、IGBT驅(qū)動模塊、核心控制板組成，整體封閉在金屬外殼內(nèi)，主要發(fā)熱部件為IGBT模塊，散熱設(shè)計難度較大。為了提高設(shè)計效率和減少反復試驗的工作量，采用了熱計算、仿真和試驗對比相結(jié)合的方法。

1 IGBT熱功率和最高溫度計算
    IGBT驅(qū)動三相永磁無刷直流電機，流過電流在理想狀態(tài)下是峰值為60°角的梯形波，實際運行中受電機電感影響和電容容量限制，波峰有兩個較大的尖峰，如圖1所示。為計算方便，IGBT流過的電流簡化為額定狀況下為標準的梯形波。控制器輸出峰值電流530 A，經(jīng)積分計算出有效電流約為350A。

    在此使用英飛凌IPOSIM工具，計算使用3個FF600R06ME3器件、三相兩電平拓撲結(jié)構(gòu)、方波驅(qū)動方案IGBT損耗和熱參數(shù)。在環(huán)境溫度40℃，散熱熱阻0．27K／W時，IGBT穩(wěn)態(tài)溫度最高為118．6℃，1個IGBT損耗功率為206．4W，3個IGBT為619．2W。

2 電控箱熱傳導和對流散熱仿真
    IGBT組件安裝在一塊雙面拋光的20 mm厚鋁板上，利用鋁導熱率高、熱容性大的特點，盡量把IGBT熱傳導出IGBT本體以外。由于電控箱防爆結(jié)構(gòu)的要求，必須使用鋼板制作防爆外殼，因此鋁板最終安裝到拋光的電控箱內(nèi)背部鋼板上，鋼板外部加散熱筋加強散熱效果。散熱過程是IGBT熱量傳導到鋁板、鋁板傳導到鋼板、鋼板傳導到散熱筋、散熱筋和外部空氣對流換熱。如圖2、圖3所示。

    使用Flotherm軟件簡化建模，鋁板導熱系數(shù)取237 W／mK，鋼板導熱系數(shù)取51．9 W／mK，忽略導熱硅脂等輔助材料影響，根據(jù)平板導熱原理，建模如圖4所示。

    模型中，IGBT及其安裝鋁板布置在電控箱后板上，無反電控箱被隔板分割為主腔和接線腔兩個獨立的部分，散熱片貼在后板外部。由于煤礦井下環(huán)境溫度相對穩(wěn)定，假設(shè)環(huán)境溫度最高為30℃。根據(jù)空氣自然散熱需要保證散熱片間有相對較大的空氣對流間隙，基板厚度選為10 mm，散熱片采用間距20 mm，高100 mm的碳鋼散熱片。通過仿真，IGBT組件通過散熱筋和電控箱體鋼板自然散熱，IGBT最高溫度溫度74.9℃，小于設(shè)計值118．6℃，電控箱可以正常運行。

3 結(jié)語
    通過和另外一種128 V，750 A電控箱的實際散熱試驗對比，該散熱模型溫度合理。通過計算、仿真和試驗相結(jié)合的方法，提高了電控箱設(shè)計速度，節(jié)約了設(shè)計經(jīng)費，對其他電控箱的熱設(shè)計和分析具有參考意義。