配电网静止同步补偿器散热设计

摘要

电子设备朝着高性能、高功率与微型化方向发展的趋势使得设备内部的散热空间越来越小、热流密度越来越大。IGBT模块单位体积内的散热量越来越高，严重危害系统的稳定运行，设备的故障率不断提高，这些驱使热管理、热设计逐渐成为大功率设备的重要研究方向。本文以配电网同步补偿器为研究对象，对通态损耗和开关损耗进行分析，并结合等效热路模型、热阻模型、热仿真模型、工程实验等方法对补偿器的散热结构进行了研究。 理论分析IGBT和二极管开关暂态过程，根据其导通和关断过程的典型波形，建立损耗数学模型。深入研究三电平补偿器的中开关器件的导通过程，提出损耗研究的基本思想，建立了SPWM调制方式下的数学模型。在分析数据结构和影响功率损耗的各种因素的基础上，定量分析了各装置功率损耗的分布趋势。 通过研究强迫风冷散热设计中风机与散热器的选择依据，总结了强迫风冷散热系统的一般设计方案。对补偿器展开了详细的热设计，给出了风机的初步选择的原则。提出了一种考虑IGBT模块内NTC热敏电阻的等效热路图，通过该等效热路图可较快速准确地进行结温校验。根据散热器热阻的数学模型对散热器进行了结构设计。 根据补偿器的散热结构方案，利用Icepak软件构建热仿真模型，用以分析散热结构对系统散热的影响，通过有限元仿真分析得出系统的温度云图、风速矢量图表明功率元件的结温在容许的温度限度内。 对最终确定的散热方案在工程样机上测试，通过热电偶来实时监控补偿器的温度。热测试的结果验证了热设计仿真的合理性和适用性。

目录

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致谢

变量注释表

1 绪论

1.1课题的背景和研究意义

1.2配电网静止同步补偿器研究现状

1.3功率损耗研究现状

1.3.1 基于物理结构的IGBT损耗模型

1.3.2 基于数学方法的IGBT损耗模型

1.4散热方式研究现状

1.5课题的主要研究内容

2 IGBT模块损耗研究

2.1 引言

2.2通态损耗分析

2.2.1 三电平补偿器工作时器件导通状况

2.2.2 占空比计算

2.2.3 通态损耗计算

2.3开关损耗分析

2.3.1 二极管关断过程分析

2.3.2 IGBT开通过程分析

2.3.3 IGBT关断过程分析

2.3.4 开关损耗计算

2.4功率损耗结果分析

2.4.1 功率因数与损耗的关系

2.4.2 负载电流与损耗的关系

2.4.3 调制度与损耗的关系

2.4.4 开关频率与损耗的关系

2.5 本章小结

3 强迫风冷散热系统热设计

3.1 引言

3.2风机选型分析

3.3等效热路模型分析

3.3.1 IGBT模块散热模型分析

3.3.2 含有NTC电阻等效热路图分析

3.4散热器热阻分析

3.5实例分析

3.5.1 理论计算

3.5.2 仿真验证

3.6 本章小结

4 有限元仿真分析

4.1有限元方法简介

4.2建模分析与仿真步骤

4.3 实物测试

4.4本章小结

5 总结与展望

5.1课题总结

5.2课题展望

参考文献

作者简历

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