基于SolidWorks的功率單元熱力分析

周 吉

（上海電氣集團股份有限公司中央研究院，上海 200070）

隨著全球能源危機的加劇，國家對節能減排的要求也越來越高。高壓大功率電動機是我國主要的耗電大戶，電動機加裝高壓變頻器后可以實現調速功能，并能有效節約能源。功率單元是高壓變頻器的核心部件，如何驗證和改善功率單元的散熱效果以保證高壓變頻器長期穩定運行，就成了研發大功率高壓變頻器的關鍵點之一。

功率單元中，絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）、整流二極管和晶閘管是高壓變頻器穩定運行的關鍵器件。這些器件在運行過程中會有功率損耗，功率損耗產生的熱量通常依靠散熱器使其散發出去，以保證功率器件的可靠性。散熱不良會導致器件的溫度過高，輕則導致器件損壞，重則引起著火和爆炸等后果［1］。功率單元中功率器件的排布設計和散熱器的散熱設計是功率單元結構設計的重點。設計后，如何檢驗和校正功率單元設計的合理性是重中之重。

本文結合6kV 500kW H橋單元串聯多電平高壓變頻器的設計，充分運用SolidWorks計算機輔助設計的熱力分析功能和熱設計技術，對研制中的功率單元實施了熱設計、熱分析，驗證了功率單元在散熱設計方面的可靠性。

1 熱力分析理論基礎

1.1 熱力分析的定義

熱力分析是指用熱力學、材料性能學測量物質的物理參數隨溫度變化的關系進行分析的方法。

熱力分析可分為穩態的熱力分析和瞬態的熱力分析。穩態的熱力分析是模擬熱流的穩定情況，即熱流持續進行，不隨時間而變化。瞬態的熱力分析是模擬熱流的瞬時情況，即在一定時間內，熱流隨著時間的變化而變化。

1.2 熱傳遞的機理

熱傳遞有3種傳熱形式：傳導、對流、熱輻射。

（1）傳導。傳導是指熱能通過物質的分子與分子間的相互作用，從物體溫度高的區域傳遞到溫度較低的區域［2］。傳導可以發生在固體、液體和氣體中，而傳導是固體中傳遞熱能最重要的方式。傳導不涉及物體的整體運動，熱流通過分子間的碰撞來傳遞熱量。非金屬固體通過晶格的振動來傳熱，熱量在傳遞過程中并沒有介質的運動。金屬的熱能傳遞是通過自由電子的碰撞形成的，自由電子的導熱性能比晶格的導熱性能高；因此，在常溫下，金屬比非金屬具有更好的傳熱性能。

熱能傳導Q傳導與熱導率λ、溫度梯度T熱－T冷、傳熱面積A成正比，與介質的厚度L成反比，即

式中，“－”表示傳熱方向與溫度梯度方向相反。

熱導率是表征材料通過傳導的方式傳遞熱能效率的參數。它定義為單位溫度下通過材料單位面積的熱傳送比率。熱導率通常用λ表示。λ越小，導熱性就越差。

（2）對流。對流是指流動的流體（氣體或液體）與固體壁面直接接觸時，由于溫差引起的相互之間的熱能傳遞過程［3］。對流傳熱分為自然對流和強制對流兩種傳熱形式。自然對流傳熱指在自然對流中固體與流體之間的溫差引起流體密度的變化產生一定的浮力，浮力又引起固體表面附近的流體產生對流運動。強制對流傳熱指在強制對流中為了降低溫度一般采用風扇或泵來加速固體表面流體的流動，不僅增大了物體的溫度梯度，而且提高了熱交換率。

固體表面與附近流體對流傳熱Q對流的大小與對流系數h、表面積A、固體表面與周圍流體之間的溫差T熱－T冷成正比，即

（3）熱輻射。熱輻射是具有一定溫度的物體的熱能，通過真空（或空氣）傳遞給另一個物體的傳熱過程。物體的溫度越高，輻射傳熱就越明顯。輻射的熱量與熱力學溫度的4次方成正比［4］，即

式中，T為絕對溫度；σ為黑體的輻射常數，其值為5.669×10－8W／（m2·K4）。

2 功率單元功率器件的功率損耗計算

熱力分析主要的輸入量是熱載荷，也就是各功率器件的功率損耗。熱力分析時，要盡可能模擬產品的真實情況，功率器件的功率損耗計算的精確性對熱力分析的結果起著至關重要的作用。

計算出安裝在散熱器上各功率器件的功率損耗，再利用SolidWorks仿真軟件的熱力分析功能，就能檢驗功率器件是否能正常運行，散熱器選用是否合理。本文結合6kV 500kW－H橋單元串聯多電平高壓變頻器來說明設計開發的實現過程。

2.1 功率單元原理圖

如圖1所示，6kV 500kW－H橋單元串聯多電平高壓變頻器的功率單元的主要功率器件由5個整流 二級管（D21～D25）、2個IGBT（IGBT1、IGBT2）、1個晶閘管（BT1）、2個熔斷器（FU1、FU2）和3個電容（C10～C12）組成。安裝在散熱器上的功率器件只有整流二級管、IGBT和晶閘管，只需計算出這些功率器件的功率損耗即可。

圖1 功率單元原理

2.2 IGBT功率損耗的計算

（1）IGBT的平均通態損耗為

（2）IGBT的平均開關損耗為

（3）反并聯續流二極管的通態平均功耗為

（4）反并聯續流二極管的開關損耗為

（5）IGBT的損耗總功率為

式中，Icp為變頻器的正弦波輸出電流的峰值電流；VCE（sat）為元器件的殼溫 Tvj＝125℃時，IGBT 的飽和壓降；D為脈寬調制（Pulse Width Modulation，PWM）信號占空比；cosθ為功率因素；Eon為Tvj＝125℃時，IGBT的開通能量；Eoff為Tvj＝125℃時，IGBT的關斷能量；fPWM為PWM開關頻率；Vf為Tvj＝125℃時，反并聯續流二極管的正向電壓；Erec為Tvj＝125℃時，反并聯續流二極管的反向恢復能量。

IGBT采用的是英飛凌（Infineon）品牌型號FF 150R17ME 3G，根據式（4）～（8）計算FF 150R17 ME 3G的損耗總功率為

2.3 整流二極管功率損耗的計算

單只二極管的損耗為

式中，Vf為前向壓降；Io為輸出電流。

整流二極管采用的是英飛凌（Infineon）型號DD 98N25K，根據式（9）計算得到DD 98N25K的損耗功率為

DD 98N25K的結構是2只二極管串聯，故DD 98N25K的損耗功率

2.4 晶閘管功率損耗的計算

晶閘管的通態功耗為

式中，VTO為閥值電壓；IT（AV）為正向平均電流；IF（RSM）為正向電流有效值；rT為斜率電阻。

晶閘管采用的是英飛凌（Infineon）型號TD 122 N 22KOF，根據式（10）計算得到TD 122N22KOF的損耗功率為

2.5 功率單元熱損耗總功率的計算

由于有2個IGBT、5個整流二級管和1個晶閘管，故功率單元熱損耗總功率

3 散熱器的選擇

3.1 散熱器選擇的數學模型

元器件安裝在散熱器上，熱量主要由元器件殼體傳導給散熱器，散熱器再通過自然對流與冷卻空氣換熱。

散熱器的熱阻為

式中，Rsa為散熱器的熱阻（℃／W）；Rpu為功率單元的總熱阻（℃／W）；Rjc為元器件的結殼熱阻（℃／W）；Rcs為元器件的殼體到散熱器之間的接觸熱阻（℃／W）；Tj（max）為元器件的最大結溫（℃）；Ta為運行時的最高環境溫度（℃）；Ppu為功率單元熱損耗的總功率（W）。

散熱器的溫升為

3.2 功率單元散熱器參數的確定

考慮到高壓變頻器功率單元會在不同工況、不同環境下運行，在計算功率單元熱損耗總功率時增加120%的安全系數，即Ppu＝1.2×380.16＝456.19（W）。

FF 150R17ME 3G的運行最大結溫為125℃，結殼熱阻為0.12℃／W，殼體到散熱器之間的接觸熱阻為0.04℃／W，高壓變頻器運行時的最高環境溫度為40℃。

根據式（11）計算得到散熱器的熱阻為

根據式（12）計算得到散熱器的溫升為

3.3 功率單元散熱器的選用與安裝原則

（1）散熱器選擇時，散熱器熱阻要小于計算值Rsa，并留有一定的余量。

（2）選用散熱器型號時，盡量選擇現有標準型號的型材。若需定制，則需綜合考慮結構工藝、傳熱效果和經濟性等指標。

（3）散熱器與元器件的接觸面應光滑平整，使其與元器件之間緊密接觸。必要時，在接觸面之間增加薄云母、導熱膠、聚酯薄膜等低熱阻材料，以消除間隙對傳熱效果的影響。

（4）安裝時，盡量增大散熱器與元器件的接觸面積以降低熱阻，提高傳熱效果。

（5）合理排放元器件在散熱器上的位置。單個元器件安裝時，應置于散熱器的中心位置；多個元器件安裝時，應均勻分布。

（6）自然對流時，散熱器應安置在機柜內，便于換熱空氣流通的位置。散熱器的肋片長度方向應與地面垂直；強制對流時，散熱器的肋片長度方向應與氣流方向一致。

4 功率單元熱力分析仿真

SolidWorks仿真有熱力分析和流體分析功能，熱力分析是用來處理固體熱傳導的，而流體分析是對氣體和液體的流動進行分析。功率單元熱力分析主要考量穩定運行狀態下元器件的最高溫度，故采用SolidWorks穩態的熱力分析進行仿真。

4.1 設計指標

6kV 500kW－H橋單元串聯多電平高壓變頻器功率單元的熱設計指標（見表1）是考慮在環境溫度最高為40℃的情況下，功率單元內各種發熱元器件所產生的熱量通過散熱器散熱后，溫度不能高于元器件正常工作時所能承受的最高溫度。

表1 功率單元發熱器件溫度指標

4.2 簡化模型

做熱力分析仿真時，一般要簡化一些過于細小的特征，如一些小零件結構或裝配體結構，這樣可以大量地節約資源和計算時間。由于SolidWorks進行熱力分析時占用的資源很多，過于龐大的數據運算會導致SolidWorks資源不足而無法完成仿真分析。在分析時，不可能把所有模型細節都呈現出來，因此，有些模型特征要壓縮，有些結構要簡化。

功率單元內主要的發熱元器件是IGBT、二極管整流橋、晶閘管；主要散熱元器件是散熱器，將這些模型保留，其他模型進行壓縮。除此之外，簡化二極管整流橋、晶閘管的模型設計，將IGBT、散熱器的一些細小特征進行刪減和修改。簡化后，功率單元主要發熱元器件如圖2所示。

圖2 功率單元主要發熱元器件

4.3 熱載荷的定義

定義熱載荷，即設置功率單元的發熱源。這些發熱源主要為IGBT、二極管整流橋和晶閘管。熱載荷數值的輸入按照各器件的功率損耗來設定，熱量值如表2所示。

表2 功率單元發熱器件熱量表

4.4 接觸熱阻的定義

發熱元器件和散熱器連接在一起，不可能完全接觸。首先，元器件和散熱器是用粘結劑粘在一起的；另外，各零件表面都存在一定的表面粗糙度，故在接觸表面之間存在一層薄薄的空氣間隙。粘結劑和空氣間隙形成了一層隔熱層，即接觸熱阻。SolidWorks中，隔熱層不用實際建模，可以方便地用接觸熱阻來模擬很薄的隔層材料，實現模擬仿真。

功率單元的發熱元器件與散熱器之間涂了一層約25μm的導熱膠材料——北極銀純銀散熱膏（Arctic Silver 5）。Arctic Silver 5的傳熱系數（K）約為350kW／（K·m2）。根據熱阻是傳熱系數的倒數，可得到熱阻值Rth＝1／K＝1／350＝2.857×10－3（K·m2）／kW。接觸熱阻的設置如圖3所示，選擇圖3中紫色部分為熱阻的接觸面，熱阻定義值為2.857×10－3K·m2／kW，如圖3中紅色圈出部分。

圖3 定義接觸熱阻

4.5 散熱器對流的定義

功率單元中，IGBT、二極管整流橋和晶閘管的散熱，除了和空氣形成自然對流之外，其主要的降溫手段還是靠散熱器。在電力電子散熱型材中，鋁散熱器具有很好的導熱性、金屬熱強度高、質量輕及價格低等特點，在功率單元散熱器中得到廣泛應用。

功率單元中使用的散熱器是插片式散熱器，型材為6063鋁，熱導率為218W／（m·K）。在定義散熱器對流參數時，除了輸入對流系數“218W”（與熱導率數值一致）外，還要設置總環境溫度“313K”，代表周圍空氣的溫度約為40℃。

4.6 熱力分析結果

功率單元熱力分析通過求解運算后，得到功率單元穩態溫度分布的結果如圖4所示。由圖中可見功率單元發熱元器件的溫度分布情況，在環境溫度為313K（40℃）時，2個IGBT的溫度最高為322.5K，散熱器邊緣的溫度最低為314.1K，整個功率單元的溫差為314.5～322.5K。在實際運行中，由于功率單元處在一個高諧波環境，需要增加一定的設計余量。按設計余量放大10K計算，IGBT的最高溫度為322.5＋10＝332.5（K），整流二極管的最高溫度為320.4＋10＝330.4（K），晶閘管的最高溫度為319＋10＝329（K），均小于設計指標溫度，散熱情況良好，符合設計要求。

圖4 穩態溫度的分布

5 結 語

在熱力分析軟件問世以前，工程設計中的器件排布與散熱選型都是以經驗初選或采用大余量設計，沒有對散熱器進行精密運算和仿真，經常會導致散熱器過盈或不足，故設計出的產品要經過大量的實驗來驗證設計的合理性和產品的可靠性。為了降低產品開發成本和開發周期，傳統的驗證方式在很大程度上正逐漸被各種仿真軟件所取代。對于任何會產生熱量的設備，都應該進行熱力性能分析，以避免潛在的過熱危險。

在6kV 500kW－H橋單元串聯多電平高壓變頻器的功率單元結構設計中，合理地利用了SolidWorks熱力分析技術，通過功率器件損耗功率計算，模擬功率單元運行中的實際工況，對功率單元的設計進行了驗證，驗證結果滿足設計要求。該變頻器在實際應用中，滿負荷運行下的測試數據也符合功率單元熱力分析的結果。

［1］李凱，劉爽.多電平單元串聯高壓變頻器功率單元的熱設計［J］.變頻器世界，2007，127（7）：55－60.

［2］葛雋，何聞.晶體管水冷散熱器的熱分析及仿真研究［J］.機床與液壓，2008，36（5）：61－164.

［3］程鵬，蘭海，羅耀華.整流器件熱分析及其風冷散熱器的仿真研究［J］.計算機仿真，2011，28（11）：275－278.

［4］DS SolidWorks?公司.SolidWorks?Simulation高級教程［M］.2版.陳超祥，葉修梓，譯.北京：機械工業出版社，2011：35－50.