永磁無刷直流電機控制器的散熱設計

摘要：介紹一種煤礦隔爆型永磁無刷直流電機IGBT控制器的散熱設計，通過IGBT在工作電流下發熱計算確定了散熱功率，采用FloTHERM有限元熱仿真分析出自然冷卻的散熱效果，確定散熱的基本方案，最后用實際產品的運行試驗類比檢驗了計算的正確性。通過計算、仿真和試驗相結合的方法，提高了設計的速度，節約了設計經費，對其他控制器箱體熱設計和分析具有參考意義。
關鍵詞：隔爆控制器；IGBT；散熱；有限元分析

0 引言
煤礦隔爆永磁無刷直流電機控制器采用三相矩形波電流控制永磁電機傳動系統，是一種電流逆變器。控制器由一組IGBT模塊、電流傳感器、銅排、電容、溫度開關、阻容吸收器件、IGBT驅動模塊、核心控制板組成，整體封閉在金屬外殼內，主要發熱部件為IGBT模塊，散熱設計難度較大。為了提高設計效率和減少反復試驗的工作量，采用了熱計算、仿真和試驗對比相結合的方法。

1 IGBT熱功率和最高溫度計算
IGBT驅動三相永磁無刷直流電機，流過電流在理想狀態下是峰值為60°角的梯形波，實際運行中受電機電感影響和電容容量限制，波峰有兩個較大的尖峰，如圖1所示。為計算方便，IGBT流過的電流簡化為額定狀況下為標準的梯形波。控制器輸出峰值電流530 A，經積分計算出有效電流約為350A。

在此使用英飛凌IPOSIM工具，計算使用3個FF600R06ME3器件、三相兩電平拓撲結構、方波驅動方案IGBT損耗和熱參數。在環境溫度40℃，散熱熱阻0．27K／W時，IGBT穩態溫度最高為118．6℃，1個IGBT損耗功率為206．4W，3個IGBT為619．2W。

2 電控箱熱傳導和對流散熱仿真
IGBT組件安裝在一塊雙面拋光的20 mm厚鋁板上，利用鋁導熱率高、熱容性大的特點，盡量把IGBT熱傳導出IGBT本體以外。由于電控箱防爆結構的要求，必須使用鋼板制作防爆外殼，因此鋁板最終安裝到拋光的電控箱內背部鋼板上，鋼板外部加散熱筋加強散熱效果。散熱過程是IGBT熱量傳導到鋁板、鋁板傳導到鋼板、鋼板傳導到散熱筋、散熱筋和外部空氣對流換熱。如圖2、圖3所示。