空調控制器中功率器件的結溫仿真分析

敖利波 江偉 曹俊 史波

摘 要：控制器是空調產品的核心技術，其控制著空調系統的功率因數校正、整流濾波、變頻調節、自動保護等；其中整流濾波、功率因數校正、變頻調節三個功能，所使用的功率器件損耗較大；而器件的結溫高低直接影響其使用壽命，行業內為了降低器件結溫，采用幾款功率器件共用一個散熱器的方式，進行強迫風冷散熱；本文主要研究了共用散熱器的四款功率器件的位置排布、散熱器翅片形狀的改變對器件結溫的影響，并提出了控制器中功率器件的散熱優化方案。

關鍵詞：功率器件；空調控制器；結溫仿真

中圖分類號：TN305.94 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）03-0040-03

Junction Temperature Simulation Analysis of Power Device in

Air-condition Controller

AO Libo，JIANG Wei，CAO Jun，SHI Bo

（Power Semiconductors Institute of Gree Electric Appliances，Inc. of Zhuhai，Zhuhai 519070，China）

Abstract：Electric controller is the most important part in air-condition，it control air-condition’s system such as Power factor correction，rectifier，frequency conversion，auto-protect and so on. In the controller main Power dissipation come from rectifier device，PFC-IGBT/FRD device，IPM module . Well-known Power device’s junction temperature direct influence working life，considering of heat dissipation’s cost air-condition manufacturer always using one heat sink to carry four Power devices. In this paper，we discuss how the power device’s position and heat sink’s fin shape to influence junction temperature，and try to advance a new plan of heat dissipation.

Keywords：Power device；air conditioning controller；junction temperature simulation

0 引 言

隨著國家對節能減排的大力提倡及國民消費水平的提升，變頻空調產量也日趨增長。在空調變頻控制器中PFC-IGBT/PFC-FRD/IPM/整流橋四款器件是空調控制器中損耗較大的功率器件；在實際使用中，生產商為了降低散熱器成本及簡化裝配環節，四款功率器件大多采用共用散熱器的方式進行強迫空冷散熱，利用外機風扇對其進行散熱，空調散熱器在外機中的位置如圖1所示。

由于四款功率器件的損耗大小不一致，加之內部芯片最高工作結溫差異較大，在理想設計中應當將各功率器件的結溫控制在各自的余量范圍之內，盡量保證各器件的使用壽命相同。

以下內容使用Icepak仿真軟件模擬空調外機工作時控制器上四款功率器件的結溫分布；首先，對各個功率器件進行仿真校對，得出散熱器上的溫度與實際測量溫度之間的差別，確保各封裝器件的材料參數、仿真軟件設置的正確性；其次，研究功率器件共用散熱器時，各功率器件之間的位置排布對結溫的影響；最后，在器件位置排布優化的基礎之上對散熱器翅片形狀進行調整，進一步降低器件結溫。

1 功率器件參數校對

對功率器件參數進行校對意在通過計算與仿真相結合的方式，來確保四款功率器件的封裝材料參數、仿真軟件設置的正確性；測試時將空調外機置于27.5℃的恒溫環境之中；采用示波器抓取各器件的損耗值，得出IPM損耗21W、FRD損耗6.7W、IGBT損耗39W、整流橋損耗13W；仿真采用自然對流散熱的散熱方式，溫度測量點設置在器件底部與散熱器接觸位置，實際測試溫度與仿真溫度進行對比，仿真模型如圖2所示。

實際測試時為了防止氣流的影響，將散熱器置于專業的防風設備中，溫度檢測點設置在功率器件與散熱器接觸面，采用熱電偶測量，仿真結果如圖3所示，仿真與實測對比表如表1所示。

通過以上分析可以得出，四款功率器件的材料參數選擇正確、軟件設置合理。

2 控制器中功率器件結溫仿真及優化

仿真分析按照如下三個方案進行，方案一為對比方案，方案二在對比的基礎上進行了器件位置優化，方案三在方案二的基礎之上更改了散熱器翅片的形狀，控制器方案對比如圖4所示。

對比方案的散熱器上FRD、IGBT、整流橋三款器件位置靠的比較近，靠近三款功率器件處的翅片溫升明顯高于其他位置的翅片溫升，結溫最高的為IGBT器件結溫，數值為133.2℃。IPM模塊的結溫為84.4℃，FRD的結溫為105.7℃，整流橋的結溫為102.7℃，散熱器翅片溫差較大，利用率較低，方案一溫度分布如圖5所示。

相對于方案一，優化方案的功率器件排布做了改動，將FRD及IGBT向左移動，將損耗最大的IGBT器件移至散熱器中間部位，損耗較小的FRD器件靠近IPM模塊位置；結溫最高的為IGBT器件，結溫為128.3℃，IPM模塊的結溫為87.1℃，FRD的結溫為101.3℃，整流橋的結溫為93.4℃，器件最高結溫降低了約4.9℃，方案二溫度分布如圖6所示。

以上兩種方案的散熱器翅片與散熱器基座平行；方案三的散熱器翅片在方案二的基礎上，與散熱器基座成15度夾角，目的是增大翅片與風流的接觸角度，使風流能夠于較大的速率撞擊翅片，加速散熱；結溫最高的為IGBT器件，結溫為111.0℃，IPM模塊的結溫為68.9℃，FRD的結溫為82.9℃，整流橋的結溫為75.7℃，器件最高結溫降低了約22.2℃，散熱效果非常明顯，仿真效果如圖7所示。

從仿真結果可以看出，優化方案三通過調整翅片的角度，增大風流與翅片的接觸角度可以加速器件的散熱，降低器件結溫。

3 結 論

上述內容從兩個方面分析介紹了空調控制器中影響結溫的因素；首先，改變控制器上功率器件的位置排布能夠有效降低結溫；其次，改變散熱器翅片的角度，調整翅片與風流的接觸角度，也可以在很大程度上降低器件結溫；通過將調整器件位置和改變翅片形狀相結合的方式，可以將器件最高結溫降低22.2℃，結溫對比如表2所示。

綜合以上分析可以看出，在產品設計初始階段，有限分析技術的引入能夠快速地彌補產品的散熱缺陷，加快產品的研發進度。

參考文獻：

[1] [美]H.阿德比利，[美]邁克爾·派克著.電子封裝技術與可靠性 [M].中國電子學會電子制造與封裝技術分會《電子封裝技術叢書》編輯委員會，譯.北京：化學工業出版社，2012：30-109.

[2] Daniel Lu，C P Wong.先進封裝材料 [M].陳明祥，尚金堂，譯.北京：機械工業出版社，2012：350-365.

[3] 賈揚·巴利加.IGBT器件-物理、設計與應用 [M].韓雁，丁扣寶，張世峰，等譯.北京：機械工業出版社，2018：117-127.

[4] 王永康，張義芳.ANSYS Icepak進階應用導航案例 [M].北京：中國水利水電出版社，2016：86-111.

[5] 斯蒂芬·林德.功率半導體器件與應用 [M].肖曦，李虹，等譯.北京：機械工業出版社，2016：158-171.

作者簡介：敖利波（1990.08-），男，漢族，江西樟樹人，功率半導體研發工程師，學士，研究方向：功率半導體結構設計、功率模塊應用、功率模塊仿真分析、空調整機散熱仿真分析。