高压软启动反并联模块的轻量化设计

邓 超 ，郭金童 ，曾文彬 ，董 超 ，陈本龙 ，孙文伟 ，赵 耿

（株洲中车时代半导体有限公司，湖南 株洲 421001）

0 引言

高压软启动装置在电机启动或停车时，能通过改变电机上的电源电压使其逐渐加速或减速，以降低启动电流与启动转矩，从而实现电机平滑启动或停车，减少对电网的冲击以及对设备的伤害[1]。高压软启动模块为高压软启动装置的重要组成部分，一般为反并联的结构，不同的散热器及压装结构对其散热有较大的影响[2]。

本文按照电机的实际工况对标准结构的反并联模块进行了仿真计算，讨论了该结构应用于此工况存在的不足，提出了改进方案并证明了方案的可行性。

1 热学结构改善

1.1 标准结构型材散热器热仿真

基于标准化型材散热器压装的高压软启动模块，其结构形式如图1所示。一个模块压装两只反并联的元件，每只元件均以两根压杆施加压力。

图1 标准反并联结构模型

由于模块中的晶闸管元件为反并联形式，两只元件交替工作，故晶闸管的功耗一直都在发生变化。为减少仿真计算量，将正弦波在一个周期内的发热量平均至一个周期作为平均功率，可按照以下公式计算[3]：

式中，VTM表示通态峰值电压，Ⅴ；VTO表示门槛电压，Ⅴ；IAV表示平均电流，A。

按照上述公式，可得单只KPX 1300-65元件的功率为1 195 W。将以上模型导入热仿真软件，设置各材料的物性参数[4]。前30 s内，两只元件给定的功率均为1 195 W，其余时间为自然冷却状态，可得整个组件在30 s时的温度分布云图，如图2所示。此时，高温区域多分布于与元件台面直接接触的部分，包括散热器基板和竖直排列的翅片，而两侧用于外接电路的斜翅片则对短时散热未起到多大作用。

图2 标准反并联结构30 s温度分布云图

1.2 改进结构型材散热器热仿真

标准型材散热器有翅片数量少、间距宽的特点，通常可用于长期通流的工况。而高压软启动具有短时、间歇启动的特点，元件在工作时间内产生的热损耗无法快速地扩散出去。因此，有必要去掉斜翅片，同时增加竖直翅片的数量，使其更多地分布于对称轴的位置。为了达到最佳的散热效果，其翅片厚度由基板向上逐渐减少，同时，翅片上还可布置波浪纹以增大散热面积[5]。

改进后的结构如图3所示，模块采用单面绝缘的方式，压杆数量由两根增加至四根，每根螺杆使用一个绝缘套杯，以包裹平垫圈和锥形垫圈。两散热器在长度方向错位，以增大电气间隙，同时，两只上散热器变为一只上散热器，无需增加额外的连接排。

图3 改进后的结构模型

将以上模型导入热仿真软件，可得到改进后的模块30 s温度分布云图，如图4所示。由图4可知，采用该结构形式的散热器之后，在30 s时，散热器上的温度分布更均匀，表示温度能够有效地传导至散热器的基座和翅片。同时，与下散热器相比，上散热器的翅片会更分布于元件台面周围，因此温度分布更为均匀，翅片的利用率更高。

图4 改进后的模块30 s温度分布云图

将改进前、后模型的结温放到对数坐标图中进行对比，如图5所示。由图5可知，在给定功耗的前30 s内，改进后的结温明显更低；但在通流结束后的30 s～60 s内，改进前的结温下降速率更大；至1 h时，改进前的结温基本能够恢复至室温，而改进后的结温温升仍有7 ℃。这是因为改进后的散热器整体体积减小，热容量也相应地降低，而在自然冷却的条件下，元件在短时间内更多地依靠散热器的大热容吸热来降低整体模块的平均温度[6]，因而散热器体积越大，在该时间段内的温度下降得也越快。

2 力学结构改善

2.1 有限元仿真分析

采用改进的结构后，由于上散热器变为一个整体，两只元件厚度的差异可能影响整体的压装均匀性。故本文提出在两个台面的中间切割一道槽，既能保证散热器的连接通流，又能保证压力的均匀，割槽后剩余的截面积须满足上散热器通流所需的最小面积。

分别对上散热器为连体结构以及切槽结构使用静力学软件进行仿真。元件与散热器接触的台面采用库伦摩擦模型，摩擦系数取0.1；固定下散热器的连接孔，对上散热器每根螺杆的位置施加的力为12.5 kN。

切槽模块整体形变云图如图6所示，可见：上散热器较下散热器的形变更大，这和翅片的布置有很大的关系。翅片在提供散热的同时也充当了加强筋的作用，下散热器的翅片分布在整个台面，可抑制台面在长度方向上的形变；而上散热器的翅片集中分布在台面中央，对台面周边形变的抑制作用较弱。因此，在仿真和试验时，元件上台面的压力均匀性可能会更差，应加强关注。

元件上台面的压力分布云图如图7所示。其中，图7（a）对应连体结构，图7（b）对应切槽结构。由图7可知，连体结构在靠近模块中心位置时，元件所受的压力较小，压力较小的区域呈现出椭球状，表明其存在较为严重的压力不均匀问题；而切槽结构的压力均匀性得到了明显改善。

图7 元件上台面应力分布云图

2.2 压力均匀性试验

功率模块一般采用力矩紧固，而螺栓材质、润滑介质及用量等因素均会影响螺纹摩擦系数[7-10]，因此，在做压力均匀性试验前，有必要确定压力与力矩的对应关系。采用FUJIFILM（富士）低压型号感压纸作为压力显色试纸，放置在元件上下台面，按照试验得到的力矩值加力，可得到如图8所示的结果。由图8可知，压敏试纸显色区域呈均匀红色，表明元件台面受力均匀，满足使用要求。

图8 元件台面压力均匀性试验结果

3 结论

本文建立了高压软启动模块的热学和力学仿真模型，按照实际工况进行了热仿真，并且针对软启动工况的特点提出了模块小型化的改进建议，通过进一步的仿真和试验验证了该方案的正确性和可行性。得到以下结论：1）直肋散热器更适宜于1 min以内的短时工况，针对通流时间较长的工况，该结构的热容较小，并不具备优势。2）将上散热器两只元件之间割一道槽，可以有效地减少上散热器台面之间的粘连，从而得到更为均匀的压装效果。