基于碳化硅MOSFET三相逆變電路散熱器設(shè)計

王逸凡 遲頌

摘 要：本文針對基于SiC-MOSFET三相逆變電路進行拓撲結(jié)構(gòu)分析，根據(jù)所述電路條件確定器件型號，在PLECS仿真軟件中對器件熱損耗進行分析，并搭建仿真平臺，以熱損耗仿真值為基礎(chǔ)設(shè)計符合系統(tǒng)溫度的水冷散熱器。

關(guān)鍵詞：三相逆變電路；熱損耗；散熱器

1 三相逆變電路拓撲結(jié)構(gòu)及器件選型

在三相逆變電路中，考慮到實際工程環(huán)境中，三相逆變電路的直流母線電壓并不是穩(wěn)定、恒定的。為了仿真的真實性，考慮用整流環(huán)節(jié)替代直流電壓源UDC作為逆變電路輸入側(cè)，拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示

根據(jù)本文所述的負載為三相異步電機的三相逆變器，最大輸出功率幅值為50kw，在電機電壓為380V的額定狀態(tài)下，直流母線電壓為537V，考慮到留出1.2～1.5倍安全裕量，因此開關(guān)器件關(guān)斷時承受的電壓為644V～805V?？紤]到現(xiàn)有器件產(chǎn)品的規(guī)格等級，開關(guān)管的電壓等級選擇1200V。設(shè)定系統(tǒng)效率為80%，功率因數(shù)為0.8，留出1.2倍的過載能力，流過開關(guān)器件的電流峰值約為：

考慮到逆變器系統(tǒng)的穩(wěn)定運行狀態(tài)和最大功率運行狀態(tài)有所不同根據(jù)器件最大耐壓值和電流峰值，選取了Cree公司的CAS120M12BM2型SiC-MOSFET模塊為功率開關(guān)器件。

2 熱損耗分析

在器件的熱仿真模型如圖2所示，

其中Rthj-c為管芯到外殼的熱阻，Rthc-s為外殼到散熱器的熱阻，這兩個參數(shù)可以從器件手冊中獲得，Rths-a為散熱器到空氣的熱阻，根據(jù)不同類型的散熱方式取值不同，水冷散熱方式一般為0.02k/w-0.1k/w之間。

3 熱損耗仿真

根據(jù)器件的熱損耗數(shù)據(jù)，在PLECS軟件中搭建基于CAS120M12BM2的熱損耗仿真模型，以A相上橋臂為例，對其功率開關(guān)器件進行損耗仿真?；ㄖ芷跒?0Hz，開關(guān)周期選取20KHz，仿真結(jié)果如下表所示：

4 散熱器設(shè)計

根據(jù)仿真數(shù)據(jù)，且在設(shè)計散熱器時需預(yù)留出2倍熱損耗余量，三相逆變電路總損耗約1152w，根據(jù)逆變器總損耗根據(jù)模塊尺寸確定水冷板尺寸為524x200x20，進水流量選取15L/min，進水溫度25℃，環(huán)境溫度為30℃，散熱器表面最高允許溫度50℃。三相逆變電路散熱器熱力圖如圖3所示，仿真結(jié)溫可以達到器件正常工作溫度。圖4為所設(shè)計制作的水冷板實物圖。

5 結(jié)論

本文對基于碳化硅MOSFET三相逆變電路進行了主電路拓撲搭建和器件選型，對所選器件的熱損耗模型進行了系統(tǒng)的損耗仿真。根據(jù)仿真的損耗結(jié)果和溫度情況設(shè)計了符合系統(tǒng)要求的散熱器。從散熱器的熱分析圖可以得出所設(shè)計的散熱器符合系統(tǒng)要求。

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作者簡介：王逸凡（1992-），男，漢族，碩士，主要研究方向為電力電子與電氣傳動；遲頌（1972-），男，漢族，主要研究方向為高頻電力電子變換技術(shù)及應(yīng)用和高精度電力電子控制算法。