Research of thermal processes of an IGBT module-based inverter

Abstract

EN: Purpose. Study of thermal processes of an inverter based on an IGBT module for used in a frequency converter to control the operation of an asynchronous motor. Methodology. Analytical and computational methods to analyse thermal processes of an inverter based on an IGBT module. Findings. The study of thermal processes of the SKM200GB12T4 inverter based on the IGBT module was performed using the SemiSel program. A mathematical model of the cooling process of the SKM200GB12T4 inverter was developed. The dependence of the dynamic thermal impedance Zth(s-a) on time, which is described by an exponential function, was obtained. The value of the time constant for this dependence, which characterizes the rate of change in the cooler temperature, i.e. the quality of its operation, has been calculated. The thermal time constant τ = 1.44 s indicates the time required to reach a temperature difference of approximately 63% of its stationary value. This low value reflects the effective cooling due to the high air flow velocity (7 m/s) and air flow rate (426.43 m³/h), which is critically important for maintaining the IGBT junction temperature below 175 °C during overload. The values of the inverter temperature maxima during overload were obtained. For an overload of 10.94 seconds, the maximum temperature for IGBT transistors is 120.85 °C, and for diodes – 123.4 °C. The case temperature Tc = 71.21 °C and the radiator temperature Ts = 63.56 °C remain the same for transistors and diodes and do not exceed the maximum operating temperature of the module due to the stability of the cooling system. However, overheating can increase with prolonged loading, resulting in the degradation of semiconductor devices. The temperature and power variation processes at nominal load and in overload mode for one period have been studied using the SemiSel program. The temperature change graphs reflect the stability of the temperature at various points, such as the transitions of IGBT transistors and reverse diodes, due to effective thermal control. The power graph indicates cyclical changes in losses, with peaks in the phases where current and voltage are maximum. These data confirm the suitability of the module for use in control circuits. Originality. Based on the graphical analysis of the kinetic dependencies of temperature and inverter power, a mathematical model of the cooling process of the SKM200GB12T4 inverter was developed, that describes the dependence of the dynamic thermal impedance Zth(s-a) on time. The thermal time constant for this dependence, which characterises the rate of change of the cooler temperature, was calculated. Practical value. The results of the study of the thermal characteristics of the SKM200GB12T4 inverter can be used to optimize the operating modes of the frequency converter for controlling the operation of an asynchronous motor. UK: 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.