劉德林，趙瑞杰，代興華，李紅剛，朱洪浩

（許昌許繼風(fēng)電科技有限公司，河南許昌461000）

變槳系統(tǒng)是風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行的三大電氣系統(tǒng)之一，根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所處環(huán)境的風(fēng)力狀況，改變?nèi)~片的槳距角，達(dá)到調(diào)節(jié)功率和保護(hù)風(fēng)機(jī)的目的。伺服驅(qū)動(dòng)器是變槳系統(tǒng)的核心部件和執(zhí)行結(jié)構(gòu)，變槳控制器通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器對(duì)變槳電機(jī)進(jìn)行控制，達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)槳葉角度的目的［1］。IGBT 模塊是伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)變槳電機(jī)的核心部件，IGBT 模塊在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的損耗，若沒(méi)有很好的散熱措施，則IGBT 模塊管芯的溫度將可能超過(guò)結(jié)溫，IGBT模塊將受到損壞。因此，伺服驅(qū)動(dòng)器散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞是其能否長(zhǎng)時(shí)間安全穩(wěn)定工作的主要條件［2］。

本文主要針對(duì)2 MW 風(fēng)電變槳伺服驅(qū)動(dòng)器的IGBT 模塊損耗，提出了一種計(jì)算IGBT 模塊通態(tài)損耗和開(kāi)關(guān)損耗實(shí)用計(jì)算方法，并采用熱阻等效電路，計(jì)算出散熱系統(tǒng)各點(diǎn)的溫度，進(jìn)而設(shè)計(jì)出一套強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該散熱系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。

1 IGBT模塊損耗計(jì)算

驅(qū)動(dòng)器的損耗計(jì)算對(duì)散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及散熱器的選擇非常重要。驅(qū)動(dòng)器中功率模塊工作時(shí)產(chǎn)生損耗會(huì)極大地影響設(shè)備的工作狀況，其損耗主要是由IGBT和并聯(lián)二極管2個(gè)部分產(chǎn)生，包括通態(tài)損耗和開(kāi)關(guān)損耗［3-7］。

1.1 IGBT的通態(tài)損耗

IGBT 的通態(tài)損耗與飽和電壓、電流、占空比、門(mén)極電壓以及結(jié)溫有關(guān)。IGBT 的通態(tài)損耗可表示為

單個(gè)IGBT只在半個(gè)周期有電流流過(guò)，所以：

式中：Pcond_IGBT為IGBT 的通態(tài)損耗；VCE(t)為IGBT 的實(shí)際飽和電壓；IC(t)為通過(guò)IGBT 的電流；DQ(t)為IGBT導(dǎo)通占空比函數(shù)。

VCE(t)與IC(t)之間的關(guān)系近似用直線表示為

式中：VT0為IGBT的通態(tài)壓降；RCE為IGBT通態(tài)等效電阻。

調(diào)制方式采用SPWM雙極性調(diào)試方式，輸出電流為正弦波，得：

式中：m為幅值調(diào)制比；ω 為角頻率；φ 為實(shí)際電流與實(shí)際電壓之間的相角。

把式（2）和式（3）代入式（1）得：

式中：IP為正弦波輸出電流峰值；cos φ為負(fù)載功率因數(shù)。

1.2 IGBT的開(kāi)關(guān)損耗

IGBT 的開(kāi)關(guān)損耗與開(kāi)關(guān)時(shí)的電流、電壓以及結(jié)溫有關(guān)。IGBT的開(kāi)關(guān)損耗可表示為

因VCE與VCE_test比較接近，Eon和Eoff可看做與IC和VCE成正比：

式中：Psw_IGBT為IGBT的開(kāi)關(guān)損耗；fsw為模塊的開(kāi)關(guān)頻率；Eon_nom為IGBT 額定條件下的導(dǎo)通損耗；Eoff_nom為IGBT 額定條件下的關(guān)斷損耗；IC_nom為IGBT 模 塊 額 定 電 流；VCE為 橋 臂 電 壓；VCE_test為IGBT模塊測(cè)試參考電壓。

1.3 并聯(lián)二極管的通態(tài)損耗

并聯(lián)二極管的通態(tài)損耗與正向?qū)妷?、電流、占空比以及結(jié)溫有關(guān)。并聯(lián)二極管的通態(tài)損耗可表示為

式中：Pcond_Diode為二極管的通態(tài)損耗；VF(t)為二極管的實(shí)際導(dǎo)通電壓；IF(t)為通過(guò)二極管的電流；DD(t)為二極管導(dǎo)通占空比函數(shù)。

VF(t)與IF(t)之間的關(guān)系近似用直線表示為

式中：VD0為并聯(lián)二極管門(mén)檻電壓；RD為并聯(lián)二極管通態(tài)等效電阻。

調(diào)制方式采用SPWM雙極性調(diào)試方式，輸出電流為正弦波，得：

把式（7）和式（8）代入式（6）得：

1.4 并聯(lián)二極管的開(kāi)關(guān)損耗

在并聯(lián)二極管開(kāi)關(guān)損耗計(jì)算過(guò)程中主要關(guān)注二極管關(guān)斷引起的反向恢復(fù)損耗。二極管的反向恢復(fù)損耗與開(kāi)關(guān)頻率、電流、橋臂電壓、門(mén)極驅(qū)動(dòng)電阻以及結(jié)溫有關(guān)。并聯(lián)二極管的關(guān)斷損耗可表示為

結(jié)合設(shè)計(jì)的2 MW風(fēng)電變槳伺服驅(qū)動(dòng)器的實(shí)際情況，修正后并聯(lián)二極管的關(guān)斷損耗表示為

式中：Psw_Diode為并聯(lián)二極管的開(kāi)關(guān)損耗；Erec_nom為并聯(lián)二極管額定條件下的關(guān)斷損耗；VR為并聯(lián)二極管反向關(guān)斷電壓；VR_test為并聯(lián)二極管能耗測(cè)試參考電壓。

2 理論計(jì)算結(jié)果與軟件仿真結(jié)果對(duì)比

選用德國(guó)英飛凌公司的IGBT 模塊（型號(hào)FS150R12KT3）作為驅(qū)動(dòng)器主電路的開(kāi)關(guān)器件。由前面的分析可知，利用式（4）、式（5）、式（9）、式（10）計(jì)算IGBT和并聯(lián)二極管的通態(tài)損耗和開(kāi)關(guān)損耗時(shí)，需確定一些參數(shù)，根據(jù)模塊手冊(cè)提供的數(shù)據(jù)，得出的相關(guān)參數(shù)為：VT0＝1.1 V，RCE＝0.005 Ω，cos φ ＝0.9，Eon_nom＝16 mJ，IC_nom＝150 A，VCE_test=600 V，RD＝0.004 5 Ω，VR＝600 Vm=0.85，fsw＝8 kHz，Eoff_nom＝14.5 mJ，VCE＝600 V，VD0＝600 V，Erec_nom＝13 mJ，VR_tes＝600 V。將參數(shù)代入相關(guān)公式，計(jì)算完成后驅(qū)動(dòng)器的各種損耗為：?jiǎn)蝹€(gè)IGBT 通態(tài)損耗Pcond_IGBT=12.34 W，單個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)損耗Psw_IGBT=21.96 W，單個(gè)并聯(lián)二極管的通態(tài)損耗Pcond_Diode=3.09 W，單個(gè)并聯(lián)二極管的關(guān)斷損耗Psw_Diode=18.97 W。

表1為理論計(jì)算結(jié)果與制造商提供的軟件計(jì)算結(jié)果對(duì)比數(shù)據(jù)。

表1 理論計(jì)算結(jié)果與軟件計(jì)算結(jié)果對(duì)比Tab.1 Calculated values and software simulation values

由表1 可見(jiàn)，本文給出的公式計(jì)算結(jié)果與IGBT 模塊制造商給出的軟件計(jì)算結(jié)果非常接近。按照本文的IGBT 模塊損耗理論計(jì)算結(jié)果，可為接下來(lái)的驅(qū)動(dòng)器散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供可行的依據(jù)。

3 驅(qū)動(dòng)器散熱裝置設(shè)計(jì)

3.1 散熱系統(tǒng)等效電路

采用熱阻等效電路形式分析散熱器，將損耗功率等效為電流源，各點(diǎn)溫度等效為節(jié)點(diǎn)電壓，熱阻等效為電阻。如圖1所示為散熱系統(tǒng)熱阻上的等效電路［8-9］。

圖1 散熱系統(tǒng)熱阻等效電路Fig.1 Heat resistance equivalent circuit of heat dissipation system

由散熱系統(tǒng)的熱阻等效電路，經(jīng)推導(dǎo)可求得散熱系統(tǒng)各點(diǎn)的溫度

式中：Th為散熱器的溫度；Ta為環(huán)境溫度；PΣ為驅(qū)動(dòng)器總消耗功率；RthHA為散熱器到環(huán)境的熱阻；Tj_IGBT為IGBT結(jié)溫；PIGBT為單個(gè)IGBT損耗功率；RthJC_IGBT為IGBT 芯片與基板之間的熱阻；RthCH_IGBT為IGBT 基板與散熱器之間的熱阻；Tj_Diode為并聯(lián)二極管結(jié)溫；PDiode為單個(gè)二極管損耗功率；RthJC_Diode為并聯(lián)二極管芯片與基板之間的熱阻；RthCH_Diode為并聯(lián)二極管基板與散熱器之間的熱阻。

為了使IGBT模塊能正常工作，必須保證IGBT 結(jié)溫TVj不超過(guò)其工作結(jié)溫最高值TVjop（125 ℃），另外為了保證IGBT 模塊的安全，模塊要降額使用，故IGBT 結(jié)溫按最大結(jié)溫的80%計(jì)算。取環(huán)境溫度Ta為40 ℃；由于驅(qū)動(dòng)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為三相橋式，另外加上輸入整流橋的功率損耗并留有裕量，取P∑為400 W；根據(jù)表2 數(shù)據(jù)，結(jié)合散熱系統(tǒng)熱阻等效電路，得出散熱器熱阻為0.095 ℃/W，故所設(shè)計(jì)的散熱器最大熱阻必須小于0.095 ℃/W。

表2 IGBT模塊熱阻相關(guān)參數(shù)Tab.2 Parameters of heat resistance

3.2 散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)熱傳導(dǎo)的基本理論可知，固體內(nèi)穩(wěn)定導(dǎo)熱的基本特點(diǎn)為：1）固體內(nèi)存在著溫度梯度，導(dǎo)熱過(guò)程中溫度相同的點(diǎn)組成等溫面，等溫面的溫度不隨時(shí)間而變；2）固體是各向同性的，熱流是沿著與等溫面垂直的路徑朝著溫度降低的方向流動(dòng)。采用自冷方式的散熱器內(nèi)部沒(méi)有熱源，靠空氣自然對(duì)流進(jìn)行熱交換，空氣的流動(dòng)處于層流狀態(tài)，散熱器內(nèi)不同流速的空氣分子不產(chǎn)生交叉運(yùn)動(dòng)，熱流是一維和穩(wěn)定的，熱量傳遞緩慢，散熱效率低。采用強(qiáng)迫風(fēng)冷方式的散熱器靠風(fēng)機(jī)擾動(dòng)散熱器表面的空氣，使空氣分子雜亂無(wú)章地運(yùn)動(dòng)，溫度不同的空氣分子頻繁接觸平板表面與之發(fā)生熱交換，接受熱量的空氣分子又被外來(lái)的空氣分子所替代，如此循環(huán)產(chǎn)生了極高的散熱效率，使散熱器熱阻大大降低。本文基于風(fēng)機(jī)變槳驅(qū)動(dòng)器特殊的安裝考慮（要求變槳驅(qū)動(dòng)器體積盡量?。O(shè)計(jì)的散熱系統(tǒng)采用強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱方式。在風(fēng)道的選擇上，采用如圖2 所示的方案，采用此方案，空氣流直接沖擊散熱器表面，給流場(chǎng)中造成很大的擾動(dòng)，在散熱器表面形成廣泛的紊流區(qū)域；另外，將散熱器垂直放置，可以利用相對(duì)較輕的氣流形成煙囪效應(yīng)［10-11］。采用此種方案設(shè)計(jì)出來(lái)的熱阻最小，散熱效果最好。

圖2 散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案Fig.2 The design scheme of heat dissipation system

3.3 散熱器的熱阻計(jì)算

當(dāng)散熱器采用強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱時(shí)，散熱器的熱阻計(jì)算公式（經(jīng)驗(yàn)公式）為［12］

式中：K為散熱器熱導(dǎo)率；d為散熱器基板厚度；A為散熱器有效散熱面積；C1為安裝狀態(tài)系數(shù)；C2為強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱條件下，散熱器相對(duì)熱阻系數(shù)；C3為空氣換熱系數(shù)。

所設(shè)計(jì)的散熱器采用陽(yáng)極氧化的插片式鋁制散熱器，散熱器熱導(dǎo)率K為2.01 W/（cm·℃）；散熱器垂直安1 裝，取系數(shù)C1=0.5；采用1 個(gè)外形尺寸為120 mm×120 mm×25 mm、風(fēng)速為4 m/s的軸流風(fēng)扇作為散熱風(fēng)扇，取系數(shù)C2=0.4；空氣流場(chǎng)以紊流為主，取系數(shù)C3=0.1；散熱器相關(guān)參數(shù)為：基板長(zhǎng)37 mm，肋片長(zhǎng)31 mm，寬23.4 mm，基板厚1 mm，齒高5 mm，齒數(shù)14 mm。所設(shè)計(jì)的散熱裝置實(shí)物見(jiàn)圖3。根據(jù)表2 中散熱器參數(shù)，利用式（11）可計(jì)算出散熱器熱阻RthHA=0.049 ℃/W，系統(tǒng)總功耗為400 W，通過(guò)計(jì)算可以得出散熱器的溫升為19.2 ℃。

圖3 散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)物圖Fig.3 Sample of heat dissipation system

4 計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較

4.1 試驗(yàn)平臺(tái)

為驗(yàn)證散熱裝置設(shè)計(jì)是否滿足溫升要求，采用了圖4 所示的測(cè)試平臺(tái)。該測(cè)試平臺(tái)包括被測(cè)驅(qū)動(dòng)器-變槳電機(jī)系統(tǒng)和負(fù)載電機(jī)-負(fù)載調(diào)節(jié)器系統(tǒng)，其中變槳電機(jī)和負(fù)載電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器同軸連接。由于變槳電機(jī)與負(fù)載電機(jī)同軸連接，一個(gè)工作于電動(dòng)狀態(tài)，一個(gè)工作于發(fā)電狀態(tài)，被測(cè)驅(qū)動(dòng)器-變槳電機(jī)系統(tǒng)工作于速度閉環(huán)狀態(tài)，用來(lái)控制整個(gè)測(cè)試平臺(tái)的轉(zhuǎn)速；負(fù)載電機(jī)-負(fù)載調(diào)節(jié)器系統(tǒng)工作于轉(zhuǎn)矩閉環(huán)狀態(tài)，通過(guò)控制負(fù)載電機(jī)的電流來(lái)改變負(fù)載電機(jī)的轉(zhuǎn)矩大小，模擬變槳電機(jī)的負(fù)載變化，這樣回饋測(cè)試平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)速度和轉(zhuǎn)矩的靈活調(diào)節(jié)，完成各種實(shí)驗(yàn)功能測(cè)試。負(fù)載電機(jī)-負(fù)載調(diào)節(jié)器系統(tǒng)還可以把驅(qū)動(dòng)器輸出的能量回饋到電網(wǎng)中，提高了能量利用率，降低測(cè)試成本。

圖4 散熱器溫升測(cè)試平臺(tái)示意圖Fig.4 Experiment platform of heatsink

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

實(shí)際試驗(yàn)中，所設(shè)計(jì)的伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)1 臺(tái)10 kW的變槳永磁伺服電動(dòng)機(jī)，輸出電流為30 A，環(huán)境溫度為16 ℃；圖5為散熱器溫升理論計(jì)算和實(shí)測(cè)曲線圖。由圖5 實(shí)測(cè)溫升曲線可以看出，散熱器在45 min后溫升趨于恒定，此時(shí)散熱器溫度Th為35.89 ℃，散熱器溫升為19.89 ℃，與通過(guò)理論計(jì)算得出的散熱器溫升19.2 ℃相比較，可以看出實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果較為吻合。

圖5 散熱器溫升曲線Fig.5 Heatsink temperature curves

5 結(jié)論

本文針對(duì)2 MW 風(fēng)電變槳伺服驅(qū)動(dòng)器的散熱系統(tǒng)進(jìn)行研究設(shè)計(jì)；推導(dǎo)了SPWM 下IGBT 模塊的損耗計(jì)算方法，此方法通過(guò)器件已給參數(shù)，可近似計(jì)算出IGBT 功率損耗，將其與模塊廠家給出的軟件計(jì)算值相比較，驗(yàn)證了理論計(jì)算的合理性。在計(jì)算出IGBT 模塊損耗后，利用散熱系統(tǒng)熱阻等效電路，求出散熱器熱阻，進(jìn)而設(shè)計(jì)出了2 MW 風(fēng)電變槳伺服驅(qū)動(dòng)器的散熱系統(tǒng)。最后通過(guò)驅(qū)動(dòng)器溫升試驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性。

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