基于碳化硅MOSFET三相逆变电路散热器设计

王逸凡 迟颂

摘 要：本文针对基于SiC-MOSFET三相逆变电路进行拓扑结构分析，根据所述电路条件确定器件型号，在PLECS仿真软件中对器件热损耗进行分析，并搭建仿真平台，以热损耗仿真值为基础设计符合系统温度的水冷散热器。

关键词：三相逆变电路；热损耗；散热器

1 三相逆变电路拓扑结构及器件选型

在三相逆变电路中，考虑到实际工程环境中，三相逆变电路的直流母线电压并不是稳定、恒定的。为了仿真的真实性，考虑用整流环节替代直流电压源UDC作为逆变电路输入侧，拓扑结构如图1所示

根据本文所述的負载为三相异步电机的三相逆变器，最大输出功率幅值为50kw，在电机电压为380V的额定状态下，直流母线电压为537V，考虑到留出1.2～1.5倍安全裕量，因此开关器件关断时承受的电压为644V～805V。考虑到现有器件产品的规格等级，开关管的电压等级选择1200V。设定系统效率为80%，功率因数为0.8，留出1.2倍的过载能力，流过开关器件的电流峰值约为：

考虑到逆变器系统的稳定运行状态和最大功率运行状态有所不同根据器件最大耐压值和电流峰值，选取了Cree公司的CAS120M12BM2型SiC-MOSFET模块为功率开关器件。

2 热损耗分析

在器件的热仿真模型如图2所示，

其中Rthj-c为管芯到外壳的热阻，Rthc-s为外壳到散热器的热阻，这两个参数可以从器件手册中获得，Rths-a为散热器到空气的热阻，根据不同类型的散热方式取值不同，水冷散热方式一般为0.02k/w-0.1k/w之间。

3 热损耗仿真

根据器件的热损耗数据，在PLECS软件中搭建基于CAS120M12BM2的热损耗仿真模型，以A相上桥臂为例，对其功率开关器件进行损耗仿真。基波周期为50Hz，开关周期选取20KHz，仿真结果如下表所示：

4 散热器设计

根据仿真数据，且在设计散热器时需预留出2倍热损耗余量，三相逆变电路总损耗约1152w，根据逆变器总损耗根据模块尺寸确定水冷板尺寸为524x200x20，进水流量选取15L/min，进水温度25℃，环境温度为30℃，散热器表面最高允许温度50℃。三相逆变电路散热器热力图如图3所示，仿真结温可以达到器件正常工作温度。图4为所设计制作的水冷板实物图。

5 结论

本文对基于碳化硅MOSFET三相逆变电路进行了主电路拓扑搭建和器件选型，对所选器件的热损耗模型进行了系统的损耗仿真。根据仿真的损耗结果和温度情况设计了符合系统要求的散热器。从散热器的热分析图可以得出所设计的散热器符合系统要求。

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作者简介：王逸凡（1992-），男，汉族，硕士，主要研究方向为电力电子与电气传动；迟颂（1972-），男，汉族，主要研究方向为高频电力电子变换技术及应用和高精度电力电子控制算法。