永磁無刷直流電機(jī)控制器的散熱設(shè)計(jì)

摘要：介紹一種煤礦隔爆型永磁無刷直流電機(jī)IGBT控制器的散熱設(shè)計(jì)，通過IGBT在工作電流下發(fā)熱計(jì)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(shí)際產(chǎn)品的運(yùn)行試驗(yàn)類比檢驗(yàn)了計(jì)算的正確性。通過計(jì)算、仿真和試驗(yàn)相結(jié)合的方法，提高了設(shè)計(jì)的速度，節(jié)約了設(shè)計(jì)經(jīng)費(fèi)，對(duì)其他控制器箱體熱設(shè)計(jì)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(jī)控制器采用三相矩形波電流控制永磁電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，是一種電流逆變器。控制器由一組IGBT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(dòng)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(jì)難度較大。為了提高設(shè)計(jì)效率和減少反復(fù)試驗(yàn)的工作量，采用了熱計(jì)算、仿真和試驗(yàn)對(duì)比相結(jié)合的方法。

1 IGBT熱功率和最高溫度計(jì)算
IGBT驅(qū)動(dòng)三相永磁無刷直流電機(jī)，流過電流在理想狀態(tài)下是峰值為60°角的梯形波，實(shí)際運(yùn)行中受電機(jī)電感影響和電容容量限制，波峰有兩個(gè)較大的尖峰，如圖1所示。為計(jì)算方便，IGBT流過的電流簡(jiǎn)化為額定狀況下為標(biāo)準(zhǔn)的梯形波?？刂破鬏敵龇逯惦娏?30 A，經(jīng)積分計(jì)算出有效電流約為350A。

在此使用英飛凌IPOSIM工具，計(jì)算使用3個(gè)FF600R06ME3器件、三相兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、方波驅(qū)動(dòng)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(shí)，IGBT穩(wěn)態(tài)溫度最高為118．6℃，1個(gè)IGBT損耗功率為206．4W，3個(gè)IGBT為619．2W。

2 電控箱熱傳導(dǎo)和對(duì)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(dǎo)熱率高、熱容性大的特點(diǎn)，盡量把IGBT熱傳導(dǎo)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(qiáng)散熱效果。散熱過程是IGBT熱量傳導(dǎo)到鋁板、鋁板傳導(dǎo)到鋼板、鋼板傳導(dǎo)到散熱筋、散熱筋和外部空氣對(duì)流換熱。如圖2、圖3所示。