1逆變器模塊

　　2006年4月我們開發了一款電動汽車用逆變器。一共用了4個IGBT，右邊是3個型號為FF1200R17KE3-B2的IGBT，主要功能是逆變（該模塊以下簡稱為逆變模塊）；左邊是1個型號為FF300R17KE3的IGBT，主要功能是斬波或制動（該模塊以下簡稱為斬波模塊）。該逆變器的散熱方式為強迫風冷，風機安裝在散熱器的底部，進風方式為抽風。3個逆變模塊為主要工作模塊。

　　通過查找IGBT的參數，并經過計算得出：在峰值功率下各逆變模塊的發熱量為1016W，由于斬波模塊的工況比較復雜，估算其發熱量為200W，則總功耗為3248W；在額定功率下各逆變模塊的發熱量為574W，斬波模塊的發熱量為100W，則總功耗為1822W。

　　2散熱器熱傳遞的分析

　　IGBT產生的熱量通過熱傳導的方式由管殼傳到散熱器，然后通過強迫風冷的方式傳到外界環境中去（散熱器安裝在逆變器的外部）。為減少管殼與散熱器之間的熱阻，首先要求散熱器的安裝表面粗糙度達1.6以上，其次在管殼的底部均勻涂滿導熱硅膠或者加墊一層導熱系數大而硬度低的純銅箔或銀箔，并用一定的預緊力壓緊。

　　3散熱器的仿真分析

　　計算流體動力學（ComputationalFluidDynamics，簡稱CFD）是通過計算機數值計算和圖像顯示，對含有流體流動和傳熱等相關物理現象進行的系統分析。CFD的基本思想是把原來在時間域和空間域上連續的物理量的場，如速度場，溫度場，壓力場等，用有限個離散點上的一系列變量值的集合來代替按照一定的原則和方式建立起關于這些離散點上場變量之間關系的代數方程組，然后求解代數方程組獲得場變量的近似值。

　　近年來，隨著計算機技術的發展，科研開發周期的縮短，人們廣泛應用CFD技術建立各種工業環境流體力學的模型和仿真環境，得出結論，并在原來的基礎上進行優化運算，以得出滿足要求的最佳方案。ICEPAK軟件是專業的電子熱分析軟件。借助ICEPAK軟件的分析和優化結果，用戶可以降低設計成本，提高產品的一次成功率，改善電子產品的性能，提高產品可靠性，縮短產品的上市時間。以下均是用ICEPAK軟件進行仿真分析的結果。

　　散熱器基板的尺寸為680mm×430mm×20mm，翅片的尺寸為390mm×80mm×2mm，翅片的截面為長方形，翅片間距為4mm，逆變模塊間的間距為30mm，逆變模塊與斬波模塊間的間距為20mm，環境溫度為20℃，未加說明的冷卻風機均采用鼓風方式。以以上散熱器的尺寸為原形，在額定工況下（除特別說明外），選擇不同的參數對其進行了仿真分析。

　　3.1翅片厚度的選擇選擇

　　翅片間距為4mm，翅片高度為80mm，翅片厚度為1mm，1.5mm，2mm，2.5mm或3mm（超過3mm風阻太大）。

　　可知，隨著散熱器翅片厚度的增加，散熱能力增強。但是翅片厚度超過2mm后，散熱的增幅明顯變小，所以選用2mm厚的翅片比較合適。

　　3.2翅片間距的選擇

　　選擇翅片高度為80mm，翅片厚度為2mm，翅片間距為3mm，4mm，5mm，6mm或7mm.

　　說明翅片間距越小，散熱能力越強。由于受工藝條件的限制，目前翅片能加工到的最小間距為4mm，所以選用4mm的翅片間距是合理的。

　　3.3翅片高度的選擇

　　選擇翅片厚度為2mm，翅片間距為4mm，改變翅片高度，即為90mm，80mm，70mm，60mm或50mm。當翅片高度達到80mm后，溫升的幅度很小，再增加高度幾乎是無用的，所以翅片高度達80mm為極限高度。此逆變器選擇翅片的高度為80mm。

3.4基板厚度的選擇

　　基板在14～22mm之間，隨著基板厚度的增加，垂直于基板方向的熱擴散能力增強，使溫升逐漸減小，但不同基板厚度之間的溫升幅度變化較小，因此選擇基板的厚度時，主要是考慮基板的強度。

　　3.5模塊間間距的選擇

　　4個模塊間的間距分別選擇為：30mm，40mm，40mm；20mm，30mm，30mm；10mm，20mm，20mm；5mm，10mm，10mm.對它們進行分析，其前后兩者之間的最高溫差分別為1.43K，1.45K，2.1K，由此可見，選用間距太寬，對模塊的散熱沒有多少作用，因此選用間距為10mm，20mm，20mm比較合理。

　　考慮到該逆變器結構布置，選用模塊間的間距為20mm，30mm，30mm比較合適。

　　3.6對抽風與鼓風的情況進行比較

　　選擇翅片間距為4mm，翅片高度為80mm，翅片厚度分別為1mm，2mm或3mm，將鼓風方式改變為抽風方式.可知，風機為鼓風時，翅片越厚，散熱效果越好，但為抽風時，翅片達3mm時，風阻明顯增大，導致溫升比翅片厚度為2mm時要差。

　　因此抽風效果劣于鼓風方式。但由于車上受空間限制，該逆變器采用的是抽風方式。

　　圖4為額定工況下，翅片間距為4mm，翅片高度為80mm，翅片厚度為2mm，基板厚度為20mm，各模塊間間距分別為20mm，30mm，30mm，采用抽風方式的仿真分析結果。圖5為峰值工況下，其余條件與圖4相同的仿真分析結果。

　　3.7風機的選擇：

　　仿真分析的結果與風機的選型有關。選擇風機時，需要考慮的因素很多，諸如空氣的流量，風壓，風機的效率，空氣流動速度，通風系統的阻力特征，環境條件，噪聲，體積和重量等等，其中主要參數為風量和風壓。

　　經計算該逆變器的總風量要求為2040m3/h（1200CFM），風壓為201Pa.我們選型的風機（P22072HBL）的實際工作點的風壓能滿足要求，風量是通過并聯的3臺風機來滿足要求的。由于翅片間的間距為4mm，翅片高度達80mm，所以要求的風壓很高。

　　由于選型風機的風壓與風量都留有裕量，故都能滿足表2中翅片間距為3mm與表3中翅片高度為90mm的要求。

　　4試驗情況與結果

　　由此可知，分析結果與試驗情況比較接近，說明分析能起到指導設計的作用。

　　該逆變器經過地面考核，裝于北京公交公司的無軌電車上。在額定工況下，經過對逆變器的運行情況跟蹤，運行正常。