Дослідження теплових процесів інвертора на базі IGBT модуля
DOI:
https://doi.org/10.15588/1607-6761-2025-2-3Ключові слова:
теплові процеси, інвертор, IGBT модуль, перетворювач частотиАнотація
Мета роботи. Дослідження теплових процесів інвертора на базі IGBT модуля для застосування в перетворювачі частоти для керування роботою асинхронним двигуном.
Методи дослідження. Аналітико-розрахункові методи для аналізу теплових процесів інвертора на базі IGBT модуля.
Отримані результати. Дослідження теплових процесів інвертора SKM200GB12T4 на базі IGBT модуля було виконано за допомогою програми SemiSel. Розроблено математичну модель процесу охолодження інвертора SKM200GB12T4. Отримано залежність динамічного теплового імпедансу Zth(s-a) від часу, яка описується експоненціальною функцією. Розраховано значення сталої часу для цієї залежності, яка характеризує швидкість зміни температури охолоджувача, тобто якість його роботи. Теплова стала часу τ = 1,44 с показує час, необхідний для досягнення різниці температур » 63% від її стаціонарного значення. Таке низьке значення теплової сталої відображає ефективне охолодження завдяки високій швидкості повітряного потоку (7 м/с) та витраті повітря (426,43 м³/год), що є критично важливим для підтримки температури переходу IGBT нижче 175 °C під час перевантаження.
Отримано значення температурних максимумів інвертора при перевантаженні. Для перевантаження за 10,94 секунд максимальна температура для IGBT транзисторів становить 120.85 °C, а для діодів – 123.4 °С. Температура корпусу Тc = 71.21 °C та температура радіатора Тs = 63.56 °C залишаються однаковими для транзисторів та діодів і не перевищують граничну температуру роботи модуля завдяки стабільності системи охолодження. Але при більшому часі навантаження перегрів може зростати, що буде спричиняти деградацію напівпровідникових приладів.
Проведено дослідження процесів зміни температури і потужності при номінальному навантаженні і в режимі роботи при перевантаженні для одного періоду за допомогою програми SemiSel. Графіки зміни температури відображає стабільність температури в різних точках, таких як переходи IGBT транзисторів і зворотних діодів, завдяки ефективному тепловому контролю. Графік потужності показує циклічні зміни втрат, з піками у фазах, де струм і напруга максимальні. Ці дані підтверджують придатність модуля для використання в схемах управління.
Наукова новизна. На основі графічного аналізу кінетичних залежностей температури і потужності інвертора розроблено математичну модель процесу охолодження інвертора SKM200GB12T4, яка описує залежність динамічного теплового імпедансу Zth(s-a) від часу. Розрахована теплова стала часу для цієї залежності, яка характеризує швидкість зміни температури охолоджувача.
Практична цінність. Результати дослідження теплових характеристик інвертора SKM200GB12T4 можуть бути застосовані для оптимізації режимів роботи частотного перетворювача для керування роботою асинхронного двигуна.
Посилання
Zagirnjak, M. V., Koren'kova, T. V., Kalinov, A. P., Gladyr, A. I., Koval'chuk, V. G. (2017). Suchasni peretvorjuvachi chastoty v systemah elektropryvo-da : navch. posibnyk. Harkiv: Vydavnyctvo «Toch-ka», 206. ISBN 978-617-7470-78-5.
Pressman, A. I. (1999). Switching Power Supply De-sign. New York: McGraw-Hill, Inc., 677.
Shishkin I. R., Lushchin S. P. (2023). Controlling electrical circuit of electric motor on IGBT transis-tors. Electrical Engineering and Power Engineering, 1, 30-35. DOI: https://doi.org/10.15588/1607-6761-2023-1-3
www.semikron-danfoss.com
https://assets.danfoss.com/documents/latest/444048/AB501651003501en-000201.pdf
Ostrenko V.S., Kulinich Je.V. (2012). Vyznachennja krashhogo typu IGBT modulja dlja zastosuvannja v peretvorjuvachi chastoty. Naukovyj visnyk NGU. Elektrotehnichni kompleksy i systemy, 5, 80-85.
Mohammad Shahjalala et al. Thermal Analysis of Si-IGBT based Power Electronic Modules in 50kW Traction Inverter Application. Preprint. https://ssrn.com/abstract=4091251.
Chen, Xi & Huang, Shenghua & Li, Bingzhang & Xiang, Yangxiao. (2018). Losses and thermal cal-culation scheme of IGBT and FWD and its applica-tion in PWM inverters for electric engineering maintenance rolling stock: LOSSES AND THER-MAL CALCULATION SCHEME OF IGBT AND FWD. IEEJ Transactions on Electrical and Electron-ic Engineering. 13. 10.1002/tee.22744. DOI:10.1002/tee.22744
https://www.edn.com/using-igbt-thermal-calculations-to-optimize-power-designs/
Xinyu Fan et al. (2020). IGBT Heat Dissipation De-sign and Optimization. J. Phys.: Conf. Ser. 1635 012024. doi:10.1088/1742-6596/1635/1/012024
Bahman, Amir & Ma, Ke & Blaabjerg, F. (2014). Thermal Impedance Model of High Power IGBT Modules Considering Heat Coupling Effects. Pro-ceedings - 2014 International Power Electronics and Application Conference and Exposition, IEEE PEAC 2014. 10.1109/PEAC.2014.7038066. DOI:10.1109/PEAC.2014.7038066
C. Qian et al., (2018).Thermal Management on IGBT Power Electronic Devices and Modules, in IEEE Access, 6, 12868-12884. doi: 10.1109/ACCESS.2018.2793300.
Cova, Paolo & Ciappa, Mauro & Franceschini, Giovanni & Malberti, P. & Fantini, Fausto. (1997). Thermal characterization of IGBT power modules. Microelectronics Reliability. 37. 1731-1734. 10.1016/S0026-2714(97)00150-9. DOI:10.1016/S0026-2714(97)00150-9
Tang, C., Thiringer, T. (2019). Thermal modelling of a mutlichip IGBT power module. 2019 21st Euro-pean Conference on Power Electronics and Appli-cations, EPE 2019 ECCE Europe. http://dx.doi.org/10.23919/EPE.2019.8914769
Younes Shabany. Heat transfer. Thermal Meneg-ment of Electronics. (2011), CRC Press, 524 p. ISBN 9781439814673.
Lienhard, J.H. IV and Lienhard, J.H.V. (2019). A Heat Transfer Textbook. 5th Edition. Dover Pub., 784. ISBN-13: 978-0486837352.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2025 S.P. Lushchin, D.P. Paxar
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.
Положення про авторські права Creative Commons
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи.
