基于碳化硅MOSFET三相逆變電路散熱器設計

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設計符合系統(tǒng)溫度的水冷散熱器。

關鍵詞：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，因此開關器件關斷時承受的電壓為644V～805V。考慮到現(xiàn)有器件產(chǎn)品的規(guī)格等級，開關管的電壓等級選擇1200V。設定系統(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，對其功率開關器件進行損耗仿真。基波周期為50Hz，開關周期選取20KHz，仿真結(jié)果如下表所示：

4 散熱器設計

根據(jù)仿真數(shù)據(jù)，且在設計散熱器時需預留出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計的散熱器符合系統(tǒng)要求。

參考文獻：

[1] 白保東，陳德志，王鑫博. 逆變器IGBT損耗計算及冷卻裝置設計[J].電工技術學報，2013，08：97-106.

[2] 鄒高域，趙爭鳴，袁立強，等.雙PWM變頻器中的IGBT模塊損耗[J].清華大學學報（自然科學版），2013（7）：1011-1018.

[3]陳權(quán)，王群京，姜衛(wèi)東，等. 二極管鉗位三電平變換器開關損耗分析[J].電工技術學報，2008，23（2）：68-75.

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及應用和高精度電力電子控制算法。