敖利波 江偉 曹俊 史波

摘 要：控制器是空調(diào)產(chǎn)品的核心技術(shù)，其控制著空調(diào)系統(tǒng)的功率因數(shù)校正、整流濾波、變頻調(diào)節(jié)、自動保護等；其中整流濾波、功率因數(shù)校正、變頻調(diào)節(jié)三個功能，所使用的功率器件損耗較大；而器件的結(jié)溫高低直接影響其使用壽命，行業(yè)內(nèi)為了降低器件結(jié)溫，采用幾款功率器件共用一個散熱器的方式，進行強迫風(fēng)冷散熱；本文主要研究了共用散熱器的四款功率器件的位置排布、散熱器翅片形狀的改變對器件結(jié)溫的影響，并提出了控制器中功率器件的散熱優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞：功率器件；空調(diào)控制器；結(jié)溫仿真

中圖分類號：TN305.94 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）03-0040-03

Junction Temperature Simulation Analysis of Power Device in

Air-condition Controller

AO Libo，JIANG Wei，CAO Jun，SHI Bo

（Power Semiconductors Institute of Gree Electric Appliances，Inc. of Zhuhai，Zhuhai 519070，China）

Abstract：Electric controller is the most important part in air-condition，it control air-condition’s system such as Power factor correction，rectifier，frequency conversion，auto-protect and so on. In the controller main Power dissipation come from rectifier device，PFC-IGBT/FRD device，IPM module . Well-known Power device’s junction temperature direct influence working life，considering of heat dissipation’s cost air-condition manufacturer always using one heat sink to carry four Power devices. In this paper，we discuss how the power device’s position and heat sink’s fin shape to influence junction temperature，and try to advance a new plan of heat dissipation.

Keywords：Power device；air conditioning controller；junction temperature simulation

0 引 言

隨著國家對節(jié)能減排的大力提倡及國民消費水平的提升，變頻空調(diào)產(chǎn)量也日趨增長。在空調(diào)變頻控制器中PFC-IGBT/PFC-FRD/IPM/整流橋四款器件是空調(diào)控制器中損耗較大的功率器件；在實際使用中，生產(chǎn)商為了降低散熱器成本及簡化裝配環(huán)節(jié)，四款功率器件大多采用共用散熱器的方式進行強迫空冷散熱，利用外機風(fēng)扇對其進行散熱，空調(diào)散熱器在外機中的位置如圖1所示。

由于四款功率器件的損耗大小不一致，加之內(nèi)部芯片最高工作結(jié)溫差異較大，在理想設(shè)計中應(yīng)當(dāng)將各功率器件的結(jié)溫控制在各自的余量范圍之內(nèi)，盡量保證各器件的使用壽命相同。

以下內(nèi)容使用Icepak仿真軟件模擬空調(diào)外機工作時控制器上四款功率器件的結(jié)溫分布；首先，對各個功率器件進行仿真校對，得出散熱器上的溫度與實際測量溫度之間的差別，確保各封裝器件的材料參數(shù)、仿真軟件設(shè)置的正確性；其次，研究功率器件共用散熱器時，各功率器件之間的位置排布對結(jié)溫的影響；最后，在器件位置排布優(yōu)化的基礎(chǔ)之上對散熱器翅片形狀進行調(diào)整，進一步降低器件結(jié)溫。

1 功率器件參數(shù)校對

對功率器件參數(shù)進行校對意在通過計算與仿真相結(jié)合的方式，來確保四款功率器件的封裝材料參數(shù)、仿真軟件設(shè)置的正確性；測試時將空調(diào)外機置于27.5℃的恒溫環(huán)境之中；采用示波器抓取各器件的損耗值，得出IPM損耗21W、FRD損耗6.7W、IGBT損耗39W、整流橋損耗13W；仿真采用自然對流散熱的散熱方式，溫度測量點設(shè)置在器件底部與散熱器接觸位置，實際測試溫度與仿真溫度進行對比，仿真模型如圖2所示。

實際測試時為了防止氣流的影響，將散熱器置于專業(yè)的防風(fēng)設(shè)備中，溫度檢測點設(shè)置在功率器件與散熱器接觸面，采用熱電偶測量，仿真結(jié)果如圖3所示，仿真與實測對比表如表1所示。

通過以上分析可以得出，四款功率器件的材料參數(shù)選擇正確、軟件設(shè)置合理。

2 控制器中功率器件結(jié)溫仿真及優(yōu)化

仿真分析按照如下三個方案進行，方案一為對比方案，方案二在對比的基礎(chǔ)上進行了器件位置優(yōu)化，方案三在方案二的基礎(chǔ)之上更改了散熱器翅片的形狀，控制器方案對比如圖4所示。

對比方案的散熱器上FRD、IGBT、整流橋三款器件位置靠的比較近，靠近三款功率器件處的翅片溫升明顯高于其他位置的翅片溫升，結(jié)溫最高的為IGBT器件結(jié)溫，數(shù)值為133.2℃。IPM模塊的結(jié)溫為84.4℃，F(xiàn)RD的結(jié)溫為105.7℃，整流橋的結(jié)溫為102.7℃，散熱器翅片溫差較大，利用率較低，方案一溫度分布如圖5所示。

相對于方案一，優(yōu)化方案的功率器件排布做了改動，將FRD及IGBT向左移動，將損耗最大的IGBT器件移至散熱器中間部位，損耗較小的FRD器件靠近IPM模塊位置；結(jié)溫最高的為IGBT器件，結(jié)溫為128.3℃，IPM模塊的結(jié)溫為87.1℃，F(xiàn)RD的結(jié)溫為101.3℃，整流橋的結(jié)溫為93.4℃，器件最高結(jié)溫降低了約4.9℃，方案二溫度分布如圖6所示。

以上兩種方案的散熱器翅片與散熱器基座平行；方案三的散熱器翅片在方案二的基礎(chǔ)上，與散熱器基座成15度夾角，目的是增大翅片與風(fēng)流的接觸角度，使風(fēng)流能夠于較大的速率撞擊翅片，加速散熱；結(jié)溫最高的為IGBT器件，結(jié)溫為111.0℃，IPM模塊的結(jié)溫為68.9℃，F(xiàn)RD的結(jié)溫為82.9℃，整流橋的結(jié)溫為75.7℃，器件最高結(jié)溫降低了約22.2℃，散熱效果非常明顯，仿真效果如圖7所示。

從仿真結(jié)果可以看出，優(yōu)化方案三通過調(diào)整翅片的角度，增大風(fēng)流與翅片的接觸角度可以加速器件的散熱，降低器件結(jié)溫。

3 結(jié) 論

上述內(nèi)容從兩個方面分析介紹了空調(diào)控制器中影響結(jié)溫的因素；首先，改變控制器上功率器件的位置排布能夠有效降低結(jié)溫；其次，改變散熱器翅片的角度，調(diào)整翅片與風(fēng)流的接觸角度，也可以在很大程度上降低器件結(jié)溫；通過將調(diào)整器件位置和改變翅片形狀相結(jié)合的方式，可以將器件最高結(jié)溫降低22.2℃，結(jié)溫對比如表2所示。

綜合以上分析可以看出，在產(chǎn)品設(shè)計初始階段，有限分析技術(shù)的引入能夠快速地彌補產(chǎn)品的散熱缺陷，加快產(chǎn)品的研發(fā)進度。

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作者簡介：敖利波（1990.08-），男，漢族，江西樟樹人，功率半導(dǎo)體研發(fā)工程師，學(xué)士，研究方向：功率半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)設(shè)計、功率模塊應(yīng)用、功率模塊仿真分析、空調(diào)整機散熱仿真分析。