首页
杂志网
当前位置:首页>>工业经济>空调控制器中功率器件的结温仿真分析>正文

空调控制器中功率器件的结温仿真分析

来源:杂志发表网时间:2019-05-28 所属栏目:工业经济

  

  摘 要:控制器是空调产品的核心技术,其控制着空调系统的功率因数校正、整流滤波、变频调节、自动保护等;其中整流滤波、功率因数校正、变频调节三个功能,所使用的功率器件损耗较大;而器件的结温高低直接影响其使用寿命,行业内为了降低器件结温,采用几款功率器件共用一个散热器的方式,进行强迫风冷散热;本文主要研究了共用散热器的四款功率器件的位置排布、散热器翅片形状的改变对器件结温的影响,并提出了控制器中功率器件的散热优化方案。

  关键词:功率器件;空调控制器;结温仿真

控制器论文

  0 引 言

  随着国家对节能减排的大力提倡及国民消费水平的提升,变频空调产量也日趋增长。在空调变频控制器中PFC-IGBT/PFC-FRD/IPM/整流桥四款器件是空调控制器中损耗较大的功率器件;在实际使用中,生产商为了降低散热器成本及简化装配环节,四款功率器件大多采用共用散热器的方式进行强迫空冷散热,利用外机风扇对其进行散热,空调散热器在外机中的位置如图1所示。

  由于四款功率器件的损耗大小不一致,加之内部芯片最高工作结温差异较大,在理想设计中应当将各功率器件的结温控制在各自的余量范围之内,尽量保证各器件的使用寿命相同。

  以下内容使用Icepak仿真软件模拟空调外机工作时控制器上四款功率器件的结温分布;首先,对各个功率器件进行仿真校对,得出散熱器上的温度与实际测量温度之间的差别,确保各封装器件的材料参数、仿真软件设置的正确性;其次,研究功率器件共用散热器时,各功率器件之间的位置排布对结温的影响;最后,在器件位置排布优化的基础之上对散热器翅片形状进行调整,进一步降低器件结温。

  1 功率器件参数校对

  对功率器件参数进行校对意在通过计算与仿真相结合的方式,来确保四款功率器件的封装材料参数、仿真软件设置的正确性;测试时将空调外机置于27.5℃的恒温环境之中;采用示波器抓取各器件的损耗值,得出IPM损耗21W、FRD损耗6.7W、IGBT损耗39W、整流桥损耗13W;仿真采用自然对流散热的散热方式,温度测量点设置在器件底部与散热器接触位置,实际测试温度与仿真温度进行对比,仿真模型如图2所示。

  实际测试时为了防止气流的影响,将散热器置于专业的防风设备中,温度检测点设置在功率器件与散热器接触面,采用热电偶测量,仿真结果如图3所示,仿真与实测对比表如表1所示。

  通过以上分析可以得出,四款功率器件的材料参数选择正确、软件设置合理。

  2 控制器中功率器件结温仿真及优化

  仿真分析按照如下三个方案进行,方案一为对比方案,方案二在对比的基础上进行了器件位置优化,方案三在方案二的基础之上更改了散热器翅片的形状,控制器方案对比如图4所示。

  对比方案的散热器上FRD、IGBT、整流桥三款器件位置靠的比较近,靠近三款功率器件处的翅片温升明显高于其他位置的翅片温升,结温最高的为IGBT器件结温,数值为133.2℃。IPM模块的结温为84.4℃,FRD的结温为105.7℃,整流桥的结温为102.7℃,散热器翅片温差较大,利用率较低,方案一温度分布如图5所示。

  相对于方案一,优化方案的功率器件排布做了改动,将FRD及IGBT向左移动,将损耗最大的IGBT器件移至散热器中间部位,损耗较小的FRD器件靠近IPM模块位置;结温最高的为IGBT器件,结温为128.3℃,IPM模块的结温为87.1℃,FRD的结温为101.3℃,整流桥的结温为93.4℃,器件最高结温降低了约4.9℃,方案二温度分布如图6所示。

  以上兩种方案的散热器翅片与散热器基座平行;方案三的散热器翅片在方案二的基础上,与散热器基座成15度夹角,目的是增大翅片与风流的接触角度,使风流能够于较大的速率撞击翅片,加速散热;结温最高的为IGBT器件,结温为111.0℃,IPM模块的结温为68.9℃,FRD的结温为82.9℃,整流桥的结温为75.7℃,器件最高结温降低了约22.2℃,散热效果非常明显,仿真效果如图7所示。

  从仿真结果可以看出,优化方案三通过调整翅片的角度,增大风流与翅片的接触角度可以加速器件的散热,降低器件结温。

  3 结 论

  上述内容从两个方面分析介绍了空调控制器中影响结温的因素;首先,改变控制器上功率器件的位置排布能够有效降低结温;其次,改变散热器翅片的角度,调整翅片与风流的接触角度,也可以在很大程度上降低器件结温;通过将调整器件位置和改变翅片形状相结合的方式,可以将器件最高结温降低22.2℃,结温对比如表2所示。

  综合以上分析可以看出,在产品设计初始阶段,有限分析技术的引入能够快速地弥补产品的散热缺陷,加快产品的研发进度。

  参考文献:

  [1] [美]H.阿德比利,[美]迈克尔·派克著.电子封装技术与可靠性 [M].中国电子学会电子制造与封装技术分会《电子封装技术丛书》编辑委员会,译.北京:化学工业出版社,2012:30-109.

  [2] Daniel Lu,C P Wong.先进封装材料 [M].陈明祥,尚金堂,译.北京:机械工业出版社,2012:350-365.

  [3] 贾扬·巴利加.IGBT器件-物理、设计与应用 [M].韩雁,丁扣宝,张世峰,等译.北京:机械工业出版社,2018:117-127.

  [4] 王永康,张义芳.ANSYS Icepak进阶应用导航案例 [M].北京:中国水利水电出版社,2016:86-111.

  [5] 斯蒂芬·林德.功率半导体器件与应用 [M].肖曦,李虹,等译.北京:机械工业出版社,2016:158-171.

  推荐阅读:发电与空调由国家电力公司主办,同济大学热能利用及空调制冷研究所,浙江大学制冷与低温工程研究所、武汉大学动力与机械工程学院协办。本刊聘请了清华大学、同济大学、上海交通大学、武汉大学、浙江大学等著名院校的专家。

点此咨询学术顾问 快人一步得到答案

SCI期刊问答

回到顶部