港机专用变频器功率单元关键技术研究

摘要

本文对港机变频器的核心部件功率单元提出了一种全新的模块化设计方案。该方案采用叠层母排将IGBT模块和电解电容连接起来，来降低直流母线上的杂散电感，使IGBT的尖峰电压保持在安全区;功率单元的驱动电路选用针式IGBT模块，整个单元的结构紧凑，高度集成化。这种高度紧凑的模块化结构使功率单元的散热设计和叠层母排低电感设计难度大大增加。
　　本文主要围绕功率单元散热分析和电感分析两大方面展开论述。在热设计方面，通过综合分析风机压力、通风管道及散热器结构等因素，给出符合散热性能的低成本方案。其中，通风管道选择并联的方式;风机选择离心式风机进行吹风散热。然后借助热仿真软件ANSYS Icepak建立数值模型对单元进行模拟，并和试验数据对比分析，验证了数值分析的准确性。另外，在叠层母排设计方面，通过对影响母排电感的因素进行分析，给出低电感值的母排设计方法，最后采用Ansoft Maxwell建立数值模型对其进行模拟验证。
　　通过对比仿真和试验测试的结果，发现功率单元的热设计和低电感母排设计均满足开发要求。其中，低电感母排的设计方法可以推广应用于类似产品开发中，具有一定的应用价值。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 课题的来源、意义

1．2 国内外现状

1．3 本文的研究内容

2．1 引言

2．2 变频器基本概念及种类

2．3 港机变频器的工作原理

2．3．1 拓扑结构

2．3．2 功率单元电路原理

2．4 功率单元的设计要求

2．5 热设计基础理论

2．5．1 热传递方式

2．5．2 散热器热阻理论分析

2．5．3 ANSYS Icepak数值模拟理论

2．6 叠层母排低电感理论分析

2．6．1 IGBT模块电路结构及其特性

2．6．2 叠层母排抑制杂散电感的原理

2．6．3 Ansoft Maxwell的数值模拟理论

2．7 本章小结

3．1 引言

3．2 IGBT模块选型及损耗计算

3．2．1 IGBT模块常见类型

3．2．2 IGBT模块选型

3．2．3 IGBT模块的损耗构成

3．2．4 IGBT模块损耗计算

3．3 功率单元散热结构设计

3．3．1 单元风道设计

3．3．2 风量计算及风机选型

3．3．3 散热器外型尺寸设计

3．4 功率单元的设计方案

3．5 本章小结

4．1 引言

4．2 CAD模型热设计方法

4．3 CAD模型简化方法

4．3．1 模型简化原则

4．3．2 模型简化方式

4．4 功率单元热仿真

4．4．1 模型简化及转换

4．4．2 求解设置

4．4．3 网格划分及求解

4．5 散热器优化仿真

4．6 测试试验验证

4．6．1 样机制作

4．6．2 试验

4．6．3 试验与仿真对比

4．7 本章小结

5．1 引言

5．2 叠层母排的技术优势

5．2．1 Ansoft数值模拟的有效性

5．2．2 叠层母排与传统母排电感对比

5．3 叠层母排影响因素分析

5．3．1 电解电容选型

5．3．2 母排电流环路设计

5．3．3 输入输出端结构设计

5．3．4 母排的间距设计

5．4 功率单元母排的低电感方案

5．5 叠层母排的电感仿真

5．6 试验测试

5．6．1 试验仪器

5．6．2 试验内容

5．7 本章小结

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢