某型电动轮矿用车电机控制器的散热设计

【摘要】对电动轮矿用车自卸车电机控制器的热损耗进行了分析，对主要发热器件IGBT模块进行了损耗分析与计算，对功率器件散热的热流路径进行了分析计算，提出了散热冷板功率和热阻指标要求与散热设计，最后对冷板的散热性能进行了热性能试验，试验结果表明满足设计要求。

【关键词】矿用车;电机控制器;IGBT;散热设计

1.引言

新型大载重电动轮矿用自卸车采用三相交流异步牵引电机作为驱动轮，交流电机控制器是该型矿用车电驱系统的核心控制部分，主要功能是实现对牵引电机的力矩和速度控制功能。该型电机为三相交流异步电机，额定电压1060V，额定功率180KW，短时最大功率满足2.0倍过载能力。电机控制器采用6只IGBT作为逆变输出功率单元。IGBT在工作中产生较大热量，IGBT随温度上升，性能会逐步下降，超过最高承受的结温后，会导致IGBT损害，对产品造成极大的损失。因此，电机控制器热设计是产品质量的关键技术，必须对IGBT作好散热分析和设计。

本文结合工程设计，对主电路的热损耗进行理论分析和详细计算，对功率器件的热传导过程进行分析，提出了散热冷板的设计要求，并进行仿真分析，最后提供了热性能试验数据。

2.变频器主电路热损耗分析

2.1 变频器主电路构成

由车载发电机发出的三相交流电经过无控全波整流得到直流电压，该直流电压通过直流母线传递到电机控制器。考虑车载发电机电压存在较大波动，以及在实际整车行使过程中可能出现的满载制动情况，在制动时牵引电机工作在发电状态下，产生的能量反馈会导致直流母线电压出现泵升情况。根据计算，IGBT的耐压必须到3KV以上。同时，考虑到2倍过载以及安全余量设计，IGBT的电流应达300A以上。根据电压和电流要求，选用英飞凌公司生产的IGBT半桥模块：FF400R33KF2C，其耐压值为3300V，80℃额定集电极电流为400A。主电路见图1，由3个模块组成（V1、V2、V3），每个模块上集成了2个IGBT和2个续流二极管。

图1 电机控制器主电路

2.2 IGBT损耗计算

电机控制器的主电路是三相桥式拓扑结构。6个IGBT的控制方式是采用spwm方式进行调制，输出脉宽调制信号去控制IGBT桥臂开通和关断，输出三相频率可变的正弦电流，实现对交流电机的输出力矩的控制。

单只IGBT逆变模块的损耗计算包括IGBT和二极管的通态损耗加上IGBT和二极管的开关损耗。

通态损耗是指IGBT和二极管在导通工作时，器件上的电压与流过电流的乘积，这部分的功率全部转换为热耗。通常在一个周期内，IGBT和二极管是交替导通和截止的。当采用SPWM正弦波调制时，占空比函数的表达式为：f（t）=1/2（1+Msin（ωt+Φ）），其中M为调制比，ω和Φ对应调制的频率和相位。同时工程上将IGBT和二极管在导通时的导通电压与导通电流进行线性处理，得到通态导通电阻Rce、Rd和通态门槛电压Vceo、Vfo，通过推导得到通态损耗的计算公式[2]，见（1）和（2）式。

IGBT通态损耗：

（1）

二级管通态损耗：

（2）

在工程计算时，一般将M取为1，cosΦ取为1，Ip为主电路逆变输出的正弦电流的峰值。下面介绍如何使用器件资料得到通态导通电阻Rce、Rd和通态门槛电压Vceo、Vfo，并利用（1）和（2）式计算出通态损耗。

查FF400R33KF2C资料，可以找到Vce、Vf与I的曲线图，如图2所示。

图2 FF400R33KF2C内部IGBT和二极管导通压降与电流曲线

图2中左图里虚线为器件温度125°时的测试曲线，代表最恶劣的情况，所以采用这条曲线进行拟合计算[1]。设拟合后的直线方程为：Vce=Vceo+Rce*I。Rce为IGBT通态等效导通电阻。取100A对应电压2.3V，500A时对于4.7V，两点法可以计算斜率：Rce=（4.7-2.3）/（500-100）=0.006，同时计算出Vceo=1.7;Ip为输出正弦波电流的峰值，由电机控制器额定输出电流110A可以推出峰值电流为145A，取Ip=150A计算。将这3个值代入（1）式计算得到IGBT的通态损耗为103.7W。

在图2右图为二极管正向导通电压与导通电流的曲线，从图中可以看出，当导通电流400A以下，器件温度为25°时比125°时，导通电压要更大，也就是损耗更大。所以，在拟合时采用25°的曲线数据进行计算，即图中实线。设拟合后的直线方程为：Vf=Vfo+Rd*I。Rd为二极管通态等效导通电阻。实线中100A对应1.7V和400A对应2.8V，两点法计算出斜率Rd=0.0037，同时计算出Vfo=1.33。Ip仍为150A。将这3个值代入（2）式中，得到二极管的通态损耗为22.6W。

在一个控制周期内，IGBT完成一次开通和关断，开通和关断过程中产生的损耗之和称为开关损耗。开关频率越快，损耗就越大。在大功率电机控制中，IGBT的开关频率都设置较低。在本产品中，开关频率fsw为5K。另外，开关损耗还与IGBT驱动电路中栅极电阻有关，符号Rg，查询时要核对好。对于选定的IGBT模块，厂家在资料中都给出单次开通和关闭的损耗，一般符号记为：Eon和Eoff。查询厂家资料可以看到，开关损耗的数据是在器件额定电流和给定电压下进行测试得到的，并且给定了栅极电阻值。二极管的正向开通损耗很小，可以忽略，只计算反向截止时的损耗。在工程计算时，要按实际输出电流和实际工作电压与厂家测试值进行比例折算[2]，公式见（3）和（4）。

IGBT的开关损耗的计算公式：

（3）

二极管的开关损耗的计算公式：

（4）

由资料可以查出，当Vnom=1800V和Ip=150A时，查得Eon=300mj、Eoff=250mj，按（3）计算出当Vdc=950、Ip=150A时，IGBT开关损耗为462W。

由资料可以查出，当Vnom=1800V和Ip=150A时，查得Erec=330mj。由（4）可以计算出二极管的开关损耗为277W。

单个IGBT模块在工作时的总损耗为：

=865W

本电机控制器共有3路IGBT半桥模块FF400R33KF2C ，每个半桥模块含2个IGBT，因此每个半桥模块总的损耗为1730W。

3.热传导分析及计算

电机控制器内的IGBT管芯产生的损耗转换化为热能，该热能通过管芯传递给IGBT外壳，造成IGBT的外壳温度上升。散热设计就是要确保IGBT的外壳温度不超过设计温度，从而保证IGBT稳定可靠工作。对IGBT外壳散热的方式一般有三种形式。小功率可以在IGBT上装上散热片，由空气自然对流散热。功率较大的话，可以设计风道，加快空气流速。为了利于风道设计，还有不少采用热管散热器，IGBT安装在热管散热器的冷端，热端置入一个封闭性风道中，风道风速由抽风机控制，风速轻易能达到4m/s以上，散热量很大。还有一种是采用水循环散热的方式，IGBT安装在一个冷板上，冷板内布置有S型管道，由水泵控制水的流速，将冷板的热量带走。结合矿用自卸车的工作环境考虑，电机控制器的散热方式采用冷板散热的形式。

在散热分析时，首先引入热阻概念。热阻表示热量在热流路径上遇到的阻力，反映介质或介质间的传热能力的大小，表明了1W热量所引起的温升大小，单位为℃/W或K/W。用热耗乘以热阻，即可获得该传热路径上的温升。公式如：

（5）

在本产品热传导的路径可以概括为：IGBT管芯热量传递到IGBT外壳;IGBT外壳热量传递到冷板;冷板热量由水循环带走[3]。可以用图3的等效电路表示。

图3 IGBT逆变模块热阻上的等效电路

上图中：T结温表示IGBT能承受的最大温度，该型号为125°。温度较高时，IGBT的性能下降，并会影响使用寿命。实际使用一般不超过100°。R模块表示IGBT管芯至IGBT模块外壳的热阻，该参数可以查阅该型号资料得到，见表1：

表1 FF400R33KF2C器件热阻表

Junction to case Per IGBT 26 K/kw 管芯至壳热阻

Case to heatsink Per IGBT 18 K/kw 壳至散热器热阻

Junction to case Per Diode 51 K/kw 管芯至壳热阻

Case to heatsink Per Diode 36 K/kw 壳至散热器热阻

由公式（5）计算每个IGBT模块的温升：

每个IGBT的损耗为566W;它产生的温升为0.566×（26+18）=25o;每个二极管的损耗为299.6W;它产生的温升为0.3×（51+36）=26o;可以看出，此种工作状态下，二极管的温升较高些。

因此，为保证IGBT管芯温度最高不超过100o，散热器表面温度不应高于74o。单个IGBT半桥模块损耗为1730，再乘以工程上使用的安全系数1.3后为2250w。3个IGBT半桥模块总损耗为2250×3=6750w。那么冷板散热功率不小于6.75KW，热阻不大于：

单个模块达到的热阻为：

4.冷板设计及试验情况

在本变频器冷板设计时要通过散热功率和热阻进行系统考虑，并结合冷却介质和进口流量进行设计。冷板材质采用铝合金，内部通道采用S型水道，这种水道在相同进水量时，能够增大流动的扰动，增大了对流换热系数[4]。3个IGBT模块集中安装在一块散热冷板上。冷却介质从散热冷板进水口进入，在冷板内置的通道流动，最后从出水口流出。本产品的冷板平面图如图4所示。图中A、B、C为3个IGBT模块放置区，A1至A4、B1至B3、C1至C3为温度测试点。图5为测试数据。

图4 冷板平面图

图5 冷板热阻测试数据

在测试时，采用3块发热器件放置在IGBT模块处，每个发热模块通电功率2542W，连续工作至热循环温度后记录各点温度。测试可以看出，在2个模块相邻处A2、B2点温度最高。将最高温度与进水温度之差除以每个模块的热功率，计算得到3种流量下的单个模块的最大热阻。其中，在流量低于20L/min时的最大热阻为9.13K/KW，小于10.67K/KW，满足要求。

5.结论

本文详细介绍了电动轮矿用车电机控制器的散热设计过程及方法。本文特别指出在工程应用中如何选用合适的功率器件，并结合功率器件的特性和产品工作机理给出了比较准确的理论计算方法，以及在工程应用中如何放宽适当的系数，确保最终设计的产品可靠地运行。同时，本文介绍的方法完成可以适用其他变频器损耗计算，或其他种类的功率器件的散热设计和计算。

参考文献

[1]李文顶，莫锦秋，曹家勇.中压矿用变频器主电路损耗分析及散热设计[J].机电工程技术，2009，38（07）.

[2]张明元，沈建清，等.一种快速IGBT损耗计算方法[J].船电技术，2009，1.

[3]郭永生，王志坚.大功率器件IGBT散热分析[J].山西电子技术，2010，3.

[4]余小玲，张荣婷，冯全科.大功率模块用新型冷板的传热性能研究[J].电力电子技术，2009，12.