空调控制器中功率器件的结温仿真分析

时间：2019-05-28 10:18:28 所属分类：工业经济 浏览量:

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

　　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

　　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。

转载请注明来自：http://www.zazhifabiao.com/lunwen/jjgl/gyjj/45135.html