基于Flotherm的感应加热的散热设计

　　热仿真中图法分类号TM924.01；标志码A电磁感应加热相对于传统的明火加热和利用电阻的热效应加热具有高效、节能、环保、安全的优点。

　　电磁感应加热自投入应用以来，在锻造、热处理、熔炼、电磁炉等方面得到了广泛的应用。随着电力半导体器件的发展，感应加热装置本身也发生了重大的变化，感应加热电源向着高频化、大容量化的方向发展。在机箱结构越来越紧凑的电磁感应加热系统中，散热是影响系统稳定运行的重要因素之，散热系统的设计也是整个系统的设计中的重要部分。对15kW电磁感应加热系统中功率电路散热系统进行了设计，并用热仿真软件Flotherm对设计进行了验证分析。散热系统的设计分为以下几个部分：热损耗的计算，散热方式的确定，散热器与风机的选择，热仿真分析验证。

　　1热损耗的计算与设计方案1.1热损耗的计算电磁感应加热功率电路由整流和逆变两部分组成，三相整流模块和逆变用的绝缘栅双极型晶体管IGBT发热是因为IGBT不是一个理想的开关器件，IGBT除了在导通时有饱和压降，产生了通态损耗外，同时由于IGBT在开通和关断的瞬间电流和电压有重叠，产生了开通和关断损耗。IGBT的反并联续流二极管FWD也存在这两方面的损耗。反并联续流二极管FWD在正向导通时有正向导通压降Vf，同时在反向恢复时有反向恢复能耗Ere.，Vf造成了导通损耗，造成了开关损耗。IGBT的通态损耗可以用曲线，En-/.（IGBT开通损耗与集电极电流）曲线，Eff-/c（IGBT关断损耗与集电极电流）曲线，Vf-/f（并联二极管导通压降与电流）曲线等。

　　在PSIM软件中建立的电磁感应加热主功率电路仿真模型如下图所示。仿真中逆变电路为半桥电路，串联谐振槽路的参数为L=120pH，C=0.8，380V三相交流输入，输出功率为15kW，开关频率为16kHz.在仿真中对电路中的三相二极管整流模块和IGBT逆变半桥的功耗进行了估算，IGBT和二极管整流模块的功耗估算结果如。

　　热损耗仿真结果由于二极管整流的纹波，功耗在估算中也存在波动，对其求平均值，仿真估算得到IGBT半桥逆变模块的功耗为227W，二极管整流模块的功耗为1.2散热器的设计电力电子装置常用的散热器有自冷式散热器，强迫风冷式散热器，热管散热器，水冷式散热器等。

　　自冷式散热器结构简单，无需加装风机，但空气对流比较差，因此这种散热器一般用在热量较低的场合。

　　强迫风冷散热器加装风机后，散热效果好，使用寿命长。但噪音大。热管通过封闭真空管内液体蒸发与凝结来传递热量，有着良好的制冷效果。水冷散热器散热效率高，但结构复杂，维护起来比较困难。综合这些散热方式的优缺点和散热设计要求后，选用强迫风冷式散热器。

　　散热器内部的热量主要通过对流进行耗散，散热器由基板和翼片构成，散热器基板的厚度是影响散热器效率的重要因素之。散热器基板的厚度与散热功率之间有如式（6）的经验关系12.（mm）为基板厚度（小值为2mm）；P（W）为散热功率。

　　本次设计中估算得到的散热功率P通过和数值传热仿真技术并成功的结合了电子设备传热方面的大量经验和数据库开发而成，Flotherm可以实现从元器件级到环境级系统的仿真。

　　仿真建模中设置环境温度25C，标准大气压，热传递系数6Wm2K），散热器材料选用Aluminum一6061，IGBT热源尺寸为63mmX106mmX5mm，功耗227W，整流桥热源尺寸40mmX80mmX5mm，功耗74W，两风机的风量为32CFM，并联工作。

　　散热系统仿真结果Fig.仿真结果如所示，结果表明，IGBT的结温为64.4C整流桥的结温为59C，散热器基板的高温度为53.9C. 3，在机箱封闭情况下，在环境温度为25C，主机工作在15kW，环境温度为20C，主机工作在10kW两种工况下，分别进行。

　　表1.（上接第150页）12014年6月4日收到2通信：魏宇亮，男。硕士研究生。E~mail：wweiyuliang163.com.