永磁無(wú)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(wú)刷直流電機IGBT控制器的散熱設計，通過(guò)IGBT在工作電流下發(fā)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(shí)際產(chǎn)品的運行試驗類(lèi)比檢驗了計算的正確性。通過(guò)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(jīng)費，對其他控制器箱體熱設計和分析具有參考意義。
關(guān)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(wú)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(dòng)系統，是一種電流逆變器?？刂破饔梢唤MIGBT模塊、電流傳感器、銅排、電容、溫度開(kāi)關(guān)、阻容吸收器件、IGBT驅動(dòng)模塊、核心控制板組成，整體封閉在金屬外殼內，主要發(fā)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(dòng)三相永磁無(wú)刷直流電機，流過(guò)電流在理想狀態(tài)下是峰值為60°角的梯形波，實(shí)際運行中受電機電感影響和電容容量限制，波峰有兩個(gè)較大的尖峰，如圖1所示。為計算方便，IGBT流過(guò)的電流簡(jiǎn)化為額定狀況下為標準的梯形波?？刂破鬏敵龇逯惦娏?30 A，經(jīng)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(gè)FF600R06ME3器件、三相兩電平拓撲結構、方波驅動(dòng)方案IGBT損耗和熱參數。在環(huán)境溫度40℃，散熱熱阻0．27K／W時(shí)，IGBT穩態(tài)溫度最高為118．6℃，1個(gè)IGBT損耗功率為206．4W，3個(gè)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(diǎn)，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(guò)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。