永磁无刷直流电机控制器的散热设计

摘要：介绍一种煤矿隔爆型无刷IGBT的，通过IGBT在工作电流下发热计算确定了功率，采用FloTHERM有限元热仿真分析出自然冷却的效果，确定散热的基本方案，最后用实际产品的运行试验类比检验了计算的正确性。通过计算、仿真和试验相结合的方法，提高了的速度，节约了经费，对其他箱体热设计和分析具有参考意义。
关键词：隔爆；IGBT；散热；有限元分析

0 引言
煤矿隔爆无刷控制器采用三相矩形波电流控制传动系统，是一种电流逆变器。控制器由一组IGBT模块、电流传感器、铜排、电容、温度开关、阻容吸收器件、IGBT驱动模块、核心控制板组成，整体封闭在金属外壳内，主要发热部件为IGBT模块，散热设计难度较大。为了提高设计效率和减少反复试验的工作量，采用了热计算、仿真和试验对比相结合的方法。

1 IGBT热功率和最高温度计算
IGBT驱动三相永磁无刷电机，流过电流在理想状态下是峰值为60°角的梯形波，实际运行中受电机电感影响和电容容量限制，波峰有两个较大的尖峰，如图1所示。为计算方便，IGBT流过的电流简化为额定状况下为标准的梯形波。控制器输出峰值电流530 A，经积分计算出有效电流约为350A。

在此使用英飞凌IPOSIM工具，计算使用3个FF600R06ME3器件、三相两电平拓扑结构、方波驱动方案IGBT损耗和热参数。在环境温度40℃，散热热阻0．27K／W时，IGBT稳态温度最高为118．6℃，1个IGBT损耗功率为206．4W，3个IGBT为619．2W。

2 电控箱热传导和对流散热仿真
IGBT组件安装在一块双面抛光的20 mm厚铝板上，利用铝导热率高、热容性大的特点，尽量把IGBT热传导出IGBT本体以外。由于电控箱防爆结构的要求，必须使用钢板制作防爆外壳，因此铝板最终安装到抛光的电控箱内背部钢板上，钢板外部加散热筋加强散热效果。散热过程是IGBT热量传导到铝板、铝板传导到钢板、钢板传导到散热筋、散热筋和外部空气对流换热。如图2、图3所示。