空调控制器中功率器件的结温仿真分析

敖利波 江伟 曹俊 史波

摘 要：控制器是空调产品的核心技术，其控制着空调系统的功率因数校正、整流滤波、变频调节、自动保护等；其中整流滤波、功率因数校正、变频调节三个功能，所使用的功率器件损耗较大；而器件的结温高低直接影响其使用寿命，行业内为了降低器件结温，采用几款功率器件共用一个散热器的方式，进行强迫风冷散热；本文主要研究了共用散热器的四款功率器件的位置排布、散热器翅片形状的改变对器件结温的影响，并提出了控制器中功率器件的散热优化方案。

关键词：功率器件；空调控制器；结温仿真

中图分类号：TN305.94 文献标识码：A 文章编号：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

随着国家对节能减排的大力提倡及国民消费水平的提升，变频空调产量也日趋增长。在空调变频控制器中PFC-IGBT/PFC-FRD/IPM/整流桥四款器件是空调控制器中损耗较大的功率器件；在实际使用中，生产商为了降低散热器成本及简化装配环节，四款功率器件大多采用共用散热器的方式进行强迫空冷散热，利用外机风扇对其进行散热，空调散热器在外机中的位置如图1所示。

由于四款功率器件的损耗大小不一致，加之内部芯片最高工作结温差异较大，在理想设计中应当将各功率器件的结温控制在各自的余量范围之内，尽量保证各器件的使用寿命相同。

以下内容使用Icepak仿真软件模拟空调外机工作时控制器上四款功率器件的结温分布；首先，对各个功率器件进行仿真校对，得出散熱器上的温度与实际测量温度之间的差别，确保各封装器件的材料参数、仿真软件设置的正确性；其次，研究功率器件共用散热器时，各功率器件之间的位置排布对结温的影响；最后，在器件位置排布优化的基础之上对散热器翅片形状进行调整，进一步降低器件结温。

1 功率器件参数校对

对功率器件参数进行校对意在通过计算与仿真相结合的方式，来确保四款功率器件的封装材料参数、仿真软件设置的正确性；测试时将空调外机置于27.5℃的恒温环境之中；采用示波器抓取各器件的损耗值，得出IPM损耗21W、FRD损耗6.7W、IGBT损耗39W、整流桥损耗13W；仿真采用自然对流散热的散热方式，温度测量点设置在器件底部与散热器接触位置，实际测试温度与仿真温度进行对比，仿真模型如图2所示。

实际测试时为了防止气流的影响，将散热器置于专业的防风设备中，温度检测点设置在功率器件与散热器接触面，采用热电偶测量，仿真结果如图3所示，仿真与实测对比表如表1所示。

通过以上分析可以得出，四款功率器件的材料参数选择正确、软件设置合理。

2 控制器中功率器件结温仿真及优化

仿真分析按照如下三个方案进行，方案一为对比方案，方案二在对比的基础上进行了器件位置优化，方案三在方案二的基础之上更改了散热器翅片的形状，控制器方案对比如图4所示。

对比方案的散热器上FRD、IGBT、整流桥三款器件位置靠的比较近，靠近三款功率器件处的翅片温升明显高于其他位置的翅片温升，结温最高的为IGBT器件结温，数值为133.2℃。IPM模块的结温为84.4℃，FRD的结温为105.7℃，整流桥的结温为102.7℃，散热器翅片温差较大，利用率较低，方案一温度分布如图5所示。

相对于方案一，优化方案的功率器件排布做了改动，将FRD及IGBT向左移动，将损耗最大的IGBT器件移至散热器中间部位，损耗较小的FRD器件靠近IPM模块位置；结温最高的为IGBT器件，结温为128.3℃，IPM模块的结温为87.1℃，FRD的结温为101.3℃，整流桥的结温为93.4℃，器件最高结温降低了约4.9℃，方案二温度分布如图6所示。

以上兩种方案的散热器翅片与散热器基座平行；方案三的散热器翅片在方案二的基础上，与散热器基座成15度夹角，目的是增大翅片与风流的接触角度，使风流能够于较大的速率撞击翅片，加速散热；结温最高的为IGBT器件，结温为111.0℃，IPM模块的结温为68.9℃，FRD的结温为82.9℃，整流桥的结温为75.7℃，器件最高结温降低了约22.2℃，散热效果非常明显，仿真效果如图7所示。

从仿真结果可以看出，优化方案三通过调整翅片的角度，增大风流与翅片的接触角度可以加速器件的散热，降低器件结温。

3 结 论

上述内容从两个方面分析介绍了空调控制器中影响结温的因素；首先，改变控制器上功率器件的位置排布能够有效降低结温；其次，改变散热器翅片的角度，调整翅片与风流的接触角度，也可以在很大程度上降低器件结温；通过将调整器件位置和改变翅片形状相结合的方式，可以将器件最高结温降低22.2℃，结温对比如表2所示。

综合以上分析可以看出，在产品设计初始阶段，有限分析技术的引入能够快速地弥补产品的散热缺陷，加快产品的研发进度。

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作者简介：敖利波（1990.08-），男，汉族，江西樟树人，功率半导体研发工程师，学士，研究方向：功率半导体结构设计、功率模块应用、功率模块仿真分析、空调整机散热仿真分析。