IGBT modüllerinin soğutma sisteminin tasarımı
Cooling system design of IGBT modules
Yazar: YALÇIN SOLAK
Danışman: PROF. DR. SEYHAN UYGUR ONBAŞIOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2008
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: IGBT = IGBT

Özet:
IGBT modüllerinin verimli ve güvenilir çalışabilmesi, oluşan ısının IGBT modüllerinden uzaklaştırılmasına bağlıdır. Birçok uygulamada modülün maksimum kullanılabilir çıkış gücünü termal sistemin tasarımı limitler. Bu sebeple istenen ve bu çalışmada amaçlanan, IGBT modülleri içinde düşük sıcaklık sağlayabilecek ve IGBT çıkışında maksimum kullanılabilir gücü verebilecek soğutma sistemini tasarlamaktır.Bu çalışmaya, IGBT kullanılan kontrol sistemlerinden Semikron firmasına ait sistem incelenerek başlanmıştır. Bu sistemin soğutma bloğunun şeffaf bir malzeme olan ?pleksi glass? dan akış testlerinin yapılabilmesine olanak sağlayan bir prototipi yapılmıştır. Yapılan CFD analizleri ve testleri sonucunda yeni bir soğutma bloğu tasarlanmıştır. Tasarlanan yeni soğutma sistemi, DC fırçasız elektrik motor sürücüsünde IGBT modüllerinin altında kullanılmıştır. Isıl analizler, Fluent programında enerji denkleminin çözdürülmesi ile yapılmıştır. Isıl testler, elektrik motorunun dinamometre ile yüklenmesini ve sürücü ile elektrik motorunun kontrolünün yapılmasını içermektedir. Soğutma bloğu üzerinden NTC termistörler ile su giriş ve çıkışında termoelemanlar ile sıcaklık ölçümü yapılmıştır. Çalışmanın her iki test aşaması, akış analiz sonuçları ve ısıl analiz sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Çalışma sonunda, uygulamaya yönelik tasarlanan soğutma bloğu; Cad tasarımı, prototip üretimi, akış testleri ve ısıl testler sonucunda hibrid elektrikli araç içersinde DC fırçasız sürekli mıknatıslı elektrik motor sürücüsünün soğutma bloğu olarak IGBT modüllerinin altında kullanılmıştır.

Abstract:
The efficient and reliable operation of IGBTs depends on the removal of the generated heat by said devices. In numerous applications the design of the thermal system limits the maximum power output of the entire module. Therefore it is the general desire and the aim of this work to design a cooling system that will allow maximum IGBT output power while keeping the interior temperature at acceptable levels.In the first part of this work an IGBT-based control system, namely Semikron's system, has been examined. A prototype of the cooling block of Semikron's system has been constructed by using the transparent plexiglass to enable the conduction of flow tests. Following the CFD analyses a new IGBT cooling block was designed. The newly-designed cooling system was placed under the brushless electric motor driver of the IGBT modules. The heat transfer analysis has been accomplished by solving the energy equation in Fluent. The thermal tests consisted of loading the electric motor on a dynamometer, and controlling the electric motor by using its driver. The temperature measurements have been performed on the cooling block, water inlet and outlet using an NTC. The two test stages of the work have been compared with the flow- and heat analysis results. Finally, following the CAD design, prototype production, flow tests and thermal analysis, the application-friendly designed cooling block has been installed under the IGBTs to ensure proper cooling of the DC brushless continuously magnetized electric motor driver of the hybrid vehicle.