引言

為了提高動力設備的電力利用效率，變頻器得到了越來越廣泛的應用，變頻器依靠其內部IGBT的開通與關斷來調整輸出電流的電壓與頻率，因此其使用的IGBT模塊的可靠性對變頻器的穩定運行有著重要影響。溫度是影響半導體器件可靠工作的重要工作參數，在正常工作溫度范圍內，半導體器件的結溫每上升10K，器件失效概率以近2倍的速率上升，

無底板IGBT模塊近來在小功率變頻器上獲得了廣泛的應用。由于陶瓷覆銅基板直接與散熱器表面接觸，功率模塊的尺寸緊湊，功率芯片發熱集中，因此，如何有效降低芯片的工作結溫，對提高小功率變頻器的使用壽命和可靠性十分重要。

數值計算技術的發展，使得很多工程技術問題可以被計算機很好地解決，數值計算技術的優點在于可以直觀、高效地驗證設計是否符合要求，尋找設計參數與目標參數之間的關系。本文利用商業數值計算軟件，對IGBT模塊變頻器風冷進行了系統級熱分析，尋找改進IGBT模塊變頻器風冷設計的改進方法。

本文的計算平臺為1.5kW風冷變頻器，在計算中，保持散熱器的尺寸不變，通過比較了兩種1200V-15A模塊和不同安放方式對散熱效果的影響，得到IGBT模塊在散熱器上的最優安放方式，并比較了正常工況下芯片結溫的差異。

計算模型

1散熱器

本文計算采用的散熱器是1.5kW變頻器所采用的翅片風冷散熱器，材質為鋁，長112mm，寬97mm，散熱片高50mm，根部厚2.75mm，尖部厚2mm，散熱片間距9.18mm，共計10個散熱片。

2IGBT模塊

本文計算了兩種不同封裝尺寸的IGBT模塊，分別為48mm*34mm（EasyPIM1）、67mm*39mm（A1），其中EasyPIM1是通用型IGBT模塊，A1模塊為改進設計的模塊，兩種模塊均為無銅底板模塊，模塊電路結構均為7單元電路，包含了二極管整流橋、制動和三相逆變全橋電路，IGBT模塊被安放在散熱器的中部。模塊DBC（直接敷銅基板）直接安放在翅片散熱器上，DBC下銅層與散熱器之間涂抹了導熱硅脂，以填充兩者之間的氣隙，減小接觸熱阻。DBC板由三層材料組成，中間是氧化鋁絕緣陶瓷，上下兩層是覆銅層，其中一側的覆銅層被制造出一定的圖形，以實現模塊芯片之間的電路互聯。

3邊界條件與材料

本文中模塊的模擬工作條件為1200V，工作電流5A，工作頻率為16kHz，由于芯片的發熱層很薄，均勻發熱，因此將芯片表面設為第二類邊界條件，其總熱流量等于芯片損耗，由模塊數據手冊查得模塊所用IGBT芯片的5A時的通態壓降為1.2V，開通損耗為0.6mJ，關斷損耗為0.5mJ，搭配的續流二極管電流為5A時的通態壓降為1.25V，開關恢復損耗為0.48mJ，假定工作時，IGBT的占空比為0.8，FWD的占空比為0.2，整流橋芯片的通態電壓為0.8V，功率因數為0.8。根據芯片損耗公式，，計算得到IGBT芯片、FWD芯片和整流橋二極管的損耗分別為22.4W、8.93W和0.61W。

散熱器的強迫冷卻氣流由軸流風扇提供，本文為了簡化分析，將其簡化成速度流量進口，方向垂直于進口截面。根據風扇說明書查得風扇的最大流量為0.78m3/min，本文選擇風扇的工作流量為0.6m3/min，變頻器進口面積為65×50mm2，計算得到冷卻氣流進口流速為3m/s，冷卻氣流進口溫度設置為300K，由于空氣在流動過程中壓力變化很小，因此本文將冷卻氣體理想化為不可壓理想氣體，操作壓力設為一個大氣壓，即101325Pa，流動計算選擇湍流模型，變頻器冷卻氣流出口設為壓力出口，其背壓為大氣壓力，即表壓為0。計算的邊界條件如圖1所示。