无人机功率模块温度场仿真分析与散热设计
发布时间：2021-01-04 12:33
无人机的功率模块工作时流过的电流可能高达200A,发热现象非常严重,有可能导致器件烧毁,甚至影响飞机安全。因此需要对无人机功率模块的发热机理及温度场分布进行研究,优化无人机功率模块的散热设计,提高散热效率,使其满足在低压大电流工况下的散热要求。本文首先研究了功率模块的损耗计算问题,通过建立数学模型,计算了结温为125℃时的功率模块损耗。为了计算出任意结温时的功率模块损耗,又提出了一种基于空间插值算法的功率模块损耗计算方法。通过对功率模块内部热量传递过程进行数学分析,提出了三种不同的提高散热性能的途径。其次,利用有限元软件对不同结构散热器、不同散热面积、不同风速、不同基板厚度、不同导热系数下的功率模块温度场进行了仿真,通过对比分析找出了对散热性能影响最大的因素:焊料和导热硅胶对热量传导的阻碍作用。为功率模块的散热设计指明了方向。再次,设计了一款基于相变散热原理的散热装置,并对其设计细节、结构特点、变更形式进行了详细阐述。该装置应用于功率模块的散热后,不再需要在发热器件表面涂抹导热材料,消除了导热瓶颈,实现了由一维散热向三维散热的转变。最后,分析了该新型功率模块散热设计的传热过程,对相变前...
【文章来源】：西安建筑科技大学陕西省
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
IGBT功率模块封装示意图
西安建筑科技大学硕士学位论文7图1.2 散热器总体热阻与肋片数量的关系曲线1.4.2 强制对流散热技术当功率模块的发热量较大，无论如何增大散热器接触面积都无法满足散热需要的情况下，就得通过人工增加流体扰动的方式来提高对流换热效果。此种技术被称作强制对流散热技术。最常见的方式是在散热器上安装风扇，提高风速，进而提高散热器的散热能力。文献[57]通过建立数学模型，分析了功率器件的热量传递过程，并采用有限元软件仿真出了热场分布图，研究结果表明，在一定风速范围内，风速越大，功率管的结温越小。文献[58]提出了一种球突型翅片，通过数值模拟研究其传热与流动性能，同时应用耗散理论对其传热性能的不可逆性进行了分析。计算结果表明：与平片相比，其传热能提高 26.21%～39.53%
因此需要计算 IGBT和二极管的瞬态通态损耗及开关损耗。图2.1 电动空调功率模块的电路拓扑IGBT 栅极驱动电压为 15V，在 IGBT 模块生产厂家提供的参数手册中一般会给出结温在 25℃、125℃、150℃三种参数下的导通压降与导通电流的关系曲线，由于功率管工作时结温一般都大于室温 25℃，小于最大工作温度 150℃，因此我们采用结温为 125℃下的曲线来计算各部分损耗。2.1.1 二极管的通态损耗
【参考文献】：
期刊论文
[1]高功率密度电机控制器的IGBT模块损耗及结温计算[J]. 丁杰,张平. 电源学报. 2018(01)
[2]考虑热学特性的高压IGBT模块暂态模型[J]. 周飞,赵成勇,徐延明,许建中. 高电压技术. 2016(07)
[3]IGBT结温的近似计算方法及应用[J]. 李岩磊,杨宁,马颖涛. 铁道机车车辆. 2015(02)
[4]IGBT功率模块散热系统设计与分析[J]. 殷炯,翁星方,何为国,谭福德. 机电信息. 2014(15)
[5]逆变器IGBT损耗计算及冷却装置设计[J]. 白保东,陈德志,王鑫博. 电工技术学报. 2013(08)
[6]IGBT电气参数的温度特性分析[J]. 张狄林. 计算机与数字工程. 2013(06)
[7]电子器件散热技术现状及进展[J]. 尹辉斌,高学农. 广东化工. 2013(04)
[8]IGBT芯片测温方法与温度分布研究[J]. 刘宾礼,陈明,唐勇,王阔厅. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版). 2013(01)
[9]IGBT结温模拟和探测方法比对研究[J]. 陈明,胡安. 电机与控制学报. 2011(12)
[10]绝缘栅双极型晶体管脉冲工作时结温特性及温度分布研究[J]. 陈明,胡安,唐勇,汪波. 西安交通大学学报. 2012(04)
硕士论文
[1]3300V/400A SiC混合模块设计与热应力仿真研究[D]. 王志慧.西安理工大学 2017
[2]大功率LED平板热管散热系统的性能研究[D]. 黄炯桐.广东工业大学 2016
[3]电动汽车集成功率控制单元热分析与散热研究[D]. 李成阳.哈尔滨工业大学 2013
[4]直流无刷轮毂电机损耗与内部温度场有限元分析[D]. 李西云.吉林大学 2013
[5]基于饱和压降测量的IGBT功率模块状态评估方法研究[D]. 杨旭.重庆大学 2012
[6]电机控制器冷却系统设计及优化[D]. 杨湘木.哈尔滨理工大学 2013
[7]用于芯片散热的蒸发冷却技术[D]. 孙潇.东华大学 2011
[8]电动汽车电动空调系统分析研究[D]. 曹中义.武汉理工大学 2008
[9]磨削区温度场有限元分析及仿真[D]. 同晓芳.武汉理工大学 2007
本文编号：2956771
【文章来源】：西安建筑科技大学陕西省
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
IGBT功率模块封装示意图
西安建筑科技大学硕士学位论文7图1.2 散热器总体热阻与肋片数量的关系曲线1.4.2 强制对流散热技术当功率模块的发热量较大，无论如何增大散热器接触面积都无法满足散热需要的情况下，就得通过人工增加流体扰动的方式来提高对流换热效果。此种技术被称作强制对流散热技术。最常见的方式是在散热器上安装风扇，提高风速，进而提高散热器的散热能力。文献[57]通过建立数学模型，分析了功率器件的热量传递过程，并采用有限元软件仿真出了热场分布图，研究结果表明，在一定风速范围内，风速越大，功率管的结温越小。文献[58]提出了一种球突型翅片，通过数值模拟研究其传热与流动性能，同时应用耗散理论对其传热性能的不可逆性进行了分析。计算结果表明：与平片相比，其传热能提高 26.21%～39.53%
因此需要计算 IGBT和二极管的瞬态通态损耗及开关损耗。图2.1 电动空调功率模块的电路拓扑IGBT 栅极驱动电压为 15V，在 IGBT 模块生产厂家提供的参数手册中一般会给出结温在 25℃、125℃、150℃三种参数下的导通压降与导通电流的关系曲线，由于功率管工作时结温一般都大于室温 25℃，小于最大工作温度 150℃，因此我们采用结温为 125℃下的曲线来计算各部分损耗。2.1.1 二极管的通态损耗
【参考文献】：
期刊论文
[1]高功率密度电机控制器的IGBT模块损耗及结温计算[J]. 丁杰,张平. 电源学报. 2018(01)
[2]考虑热学特性的高压IGBT模块暂态模型[J]. 周飞,赵成勇,徐延明,许建中. 高电压技术. 2016(07)
[3]IGBT结温的近似计算方法及应用[J]. 李岩磊,杨宁,马颖涛. 铁道机车车辆. 2015(02)
[4]IGBT功率模块散热系统设计与分析[J]. 殷炯,翁星方,何为国,谭福德. 机电信息. 2014(15)
[5]逆变器IGBT损耗计算及冷却装置设计[J]. 白保东,陈德志,王鑫博. 电工技术学报. 2013(08)
[6]IGBT电气参数的温度特性分析[J]. 张狄林. 计算机与数字工程. 2013(06)
[7]电子器件散热技术现状及进展[J]. 尹辉斌,高学农. 广东化工. 2013(04)
[8]IGBT芯片测温方法与温度分布研究[J]. 刘宾礼,陈明,唐勇,王阔厅. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版). 2013(01)
[9]IGBT结温模拟和探测方法比对研究[J]. 陈明,胡安. 电机与控制学报. 2011(12)
[10]绝缘栅双极型晶体管脉冲工作时结温特性及温度分布研究[J]. 陈明,胡安,唐勇,汪波. 西安交通大学学报. 2012(04)
硕士论文
[1]3300V/400A SiC混合模块设计与热应力仿真研究[D]. 王志慧.西安理工大学 2017
[2]大功率LED平板热管散热系统的性能研究[D]. 黄炯桐.广东工业大学 2016
[3]电动汽车集成功率控制单元热分析与散热研究[D]. 李成阳.哈尔滨工业大学 2013
[4]直流无刷轮毂电机损耗与内部温度场有限元分析[D]. 李西云.吉林大学 2013
[5]基于饱和压降测量的IGBT功率模块状态评估方法研究[D]. 杨旭.重庆大学 2012
[6]电机控制器冷却系统设计及优化[D]. 杨湘木.哈尔滨理工大学 2013
[7]用于芯片散热的蒸发冷却技术[D]. 孙潇.东华大学 2011
[8]电动汽车电动空调系统分析研究[D]. 曹中义.武汉理工大学 2008
[9]磨削区温度场有限元分析及仿真[D]. 同晓芳.武汉理工大学 2007
本文编号：2956771
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