關(guān)于IGBT模塊的散熱設(shè)計(jì)

由于IGBT模塊自身有一定的功耗，IGBT模塊本身會(huì)發(fā)熱。在一定外殼散熱條件下，功率器件存在一定的溫升（即殼溫與環(huán)境溫度的差異）。

IGBT模塊外殼散熱表面積的大小直接影響溫升。對(duì)于溫升的粗略估計(jì)可以使用這樣的公式：

溫升=熱阻系數(shù)×功率器件的功耗。

熱阻系數(shù)對(duì)于涂黑紫銅的外殼P25xxx（用于SMP-1250系列產(chǎn)品的外殼）來說約為3.76℃/W。

這里的溫升和系數(shù)是在功率器件直立并使下方懸空1cm、自然空氣流動(dòng)的情況下測試的。對(duì)于溫度較高的地方，須將IGBT模塊降額使用以減小功率器件的功耗，從而減小溫升，保證外殼不超過極限值。

對(duì)于功率較大的功率器件，須加相應(yīng)的散熱器以使功率器件的溫升得到下降。

不同的散熱器在自然的條件下有不同的對(duì)環(huán)填的熱阻，主要影響散熱器熱阻的因素是散熱器的表面積。同時(shí)考慮到空氣的對(duì)流，如果使用帶齒的散熱器，應(yīng)考慮齒的方向盡量不阻礙空氣的自然對(duì)流。

所有的功率器件在運(yùn)行時(shí)，由于內(nèi)部功率消耗都將產(chǎn)生一些熱量。在每一應(yīng)用中都有必要限制這種“自身發(fā)熱”，使功率器件外殼溫度不超過指定的最大值。

絕大多數(shù)功率器件生產(chǎn)商都以產(chǎn)品的功率密度作為水準(zhǔn)衡量產(chǎn)品的有效性。功率密度通常由瓦/立方英寸(W/in3)來表示。

了解功率密度定義的條件是非常重要的。

如果用戶不能在規(guī)定的最大的環(huán)境溫度范圍內(nèi)使用功率器件，就有可能達(dá)不到參數(shù)中的最大輸出功率。功率器件可用的平均輸出功率就是可用的功率密度，功率器件的功率密度取決于下列因素。

1）要求的輸出功率。要求的輸出功率是應(yīng)用需要的最大平均功率。

2）熱阻抗。熱阻抗的定義是功率消耗產(chǎn)生的溫升，通常用℃/W度量。

3）外殼最高工作溫度。所有功率器件都規(guī)定了外殼最高工作溫度，該溫度是指功率器件內(nèi)部的元件工作時(shí)所能承受的最高溫度。為保持功率器件的可靠性，應(yīng)工作在最高溫度以下。

4）工作環(huán)境溫度。它是指在功率器件工作時(shí)最差的環(huán)境溫度。功率器件在工作時(shí)若發(fā)熱量太大，且又來不及向周圍媒質(zhì)消散，功率器件就會(huì)因超過其正常工作的保證溫度而失效。因此，選配合適的散熱器是元器件可靠工作的重要條件之一。

在功率器件的熱設(shè)計(jì)中所需的主要參數(shù)有以下幾個(gè)。

1）功率器件的工作結(jié)溫Tj：即器件允許的最高工作溫度極限。本參數(shù)由制造廠提供，或由產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制給出要求。

2）功率器件的損耗功率Pz：器件在工作時(shí)自身產(chǎn)生的平均穩(wěn)態(tài)功率消耗，定義為平均有效值輸出電流與平均有效值電壓降的乘積。

3）功率器件的耗散功率Q：指特定散熱結(jié)構(gòu)的散熱能力。

4）功率器件的熱阻R：指熱量在媒質(zhì)之間傳遞時(shí)，單位功耗所產(chǎn)生的溫升。

IGBT模塊的散熱設(shè)計(jì)取決于IGBT模塊所允許的最高結(jié)溫（正）。在該溫度下，首先要計(jì)算出器件產(chǎn)生的損耗，按該損耗使結(jié)溫升控制在允許值以下來選擇散熱片。在散熱設(shè)計(jì)不充分的場合，實(shí)際運(yùn)行在中等水平時(shí)，也有可能超過器件允許溫度而導(dǎo)致器件損壞。

為了使管殼、散熱器的熱阻接近參數(shù)表給出的數(shù)值，安裝中應(yīng)按模塊的規(guī)定值進(jìn)行。若安裝力矩過大，往往會(huì)損壞管芯；若安裝力矩過小，則散熱性能較差。

散熱器的配置目的是必須保證它能將器件的熱損耗有效地傳導(dǎo)至周圍環(huán)境，并使其熱源（結(jié)點(diǎn)）的溫度不超過Tj。用公式表示為

式中：Ta為環(huán)境溫度；R為熱阻。 熱阻R又主要由以下三部分組成

式中：Rjc為結(jié)點(diǎn)至管殼的熱阻；Rcs為管殼至散熱器的熱阻；Rsa為散熱器至空氣的熱阻。 其中：

1）Rjc與功率器件的工藝水平和結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系，由制造商給出。

2）Rcs與管殼和散熱器之間的填隙介質(zhì)（通常為空氣）、接觸面的粗糙度和平面度以及安裝的壓力等因素密切相關(guān)。介質(zhì)的導(dǎo)熱性能越好或者接觸越緊密，則Rcs越小。

3）Rsa是散熱器選擇的重要參數(shù)。它與材質(zhì)，材料的形狀和表面積、體積，以及空氣流速等參量有關(guān)。 綜合式( 6-9)和式(6-10)，可得

式(6-11)為散熱器選配的基本原則。一般散熱器廠商提供特定散熱器材料的形狀參數(shù)和熱阻特性曲線，據(jù)此設(shè)計(jì)人員可計(jì)算出所需散熱器的表面積、長度和重量，并進(jìn)一步求得散熱器的熱阻值Rsa。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)留出足夠裕量，因?yàn)樘峁?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、由器件到散熱器的安裝狀況、散熱器表面的空氣對(duì)流狀態(tài)、熱量的非穩(wěn)態(tài)分布等都是非理想化的因素，應(yīng)將這些因素考慮到設(shè)計(jì)中。

另外，散熱器表面向空氣的熱輻射也是一種熱耗散方式。在自冷設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用的陽極氧化發(fā)黑和打毛處理工藝是增加熱輻射的有效辦法。但該辦法明顯不適用要求強(qiáng)迫風(fēng)冷的以對(duì)傳導(dǎo)為主要方式的熱設(shè)計(jì)，因?yàn)樯崞鞅砻嬖焦饬粒瑒t熱阻越低。這是在設(shè)計(jì)中要特別注意的。

6．計(jì)算功率器件的殼

在應(yīng)用場合中有許多因素都有可能影響功率器件外殼的工作溫度。在應(yīng)用中，溫度的冷卻和最高外殼工作溫度都需要認(rèn)真地核對(duì)、檢查。估算功率器件外殼工作溫度的過程如下：

1）確定應(yīng)用所需要的最大輸出功率。

2）確定應(yīng)用的最高工作環(huán)境溫度；應(yīng)該用功率器件周圍最高的環(huán)境溫度。

3）可按下式計(jì)算所估計(jì)的功率器件的外殼工作溫度。



式中：Rca=Rcs+Rsa；Tcase為外殼溫度；Tambient為環(huán)境溫度；Pinternal為內(nèi)部功率消耗；Rca為外殼到環(huán)境的熱阻抗；Rcs為外殼到散熱片的熱阻抗；Rsa為散熱片到環(huán)境的熱阻抗。

4）在應(yīng)用中通過測量外殼溫度檢驗(yàn)功率器件的熱特性。

7．降低功率器件的外殼溫度

在一定的工作環(huán)境溫度和輸出負(fù)載條件下，在正常的大氣環(huán)境下（自然對(duì)流冷卻）功率器件外殼到周圍環(huán)境的熱阻抗可能使功率器件外殼的工作溫度超過特定的最大值。如果確實(shí)如此，就需要降低功率器件外殼到周圍環(huán)境的熱阻抗，從而降低功率器件外殼工作溫度。下面的技術(shù)可以用來減小熱阻抗Rca。

(1)附加散熱片

散熱片的用途是增大散熱面積，以便將功率器件產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)移到空氣中。這會(huì)導(dǎo)致比較小的熱阻抗，但會(huì)增加功率器件的體積。

當(dāng)使用散熱片時(shí)，將散熱片在空氣中垂直排列會(huì)產(chǎn)生最好的效果。如果散熱片不是暴露在空氣中，熱量轉(zhuǎn)移將受到一定的影響。當(dāng)給功率器件添加散熱片時(shí)，應(yīng)考慮散熱片裝配表面與功率器件外殼之間熱阻抗。

計(jì)算公式如下：

Rca=Rcs+Rsa

因?yàn)楣β势骷鈿ず蜕崞b配表面不是完全平坦的，所以組裝時(shí)在兩個(gè)表面之間會(huì)產(chǎn)生空隙。這些空隙產(chǎn)生熱阻抗Rcs，可使用熱表面材料將表面熱阻抗減少到最小。

使用這種熱表面材料，Rcs值可以達(dá)到1℃/W以下。 (2)提供氣流 氣流對(duì)于改進(jìn)功率器件的散熱狀況并減小熱阻抗是非常有效的。氣流可迫使空氣冷卻，應(yīng)用中可使用風(fēng)扇或吹風(fēng)機(jī)。

因氣流可降低熱阻抗而不用加散熱片，從而也不用增加功率器件的體積。

在某些應(yīng)用場合沒有氣流，但加裝風(fēng)扇也不是最佳選擇，因?yàn)轱L(fēng)扇會(huì)增加系統(tǒng)整體體積，影響系統(tǒng)的平均無故障工作時(shí)間( MTBF)，并產(chǎn)生可以聽到的噪音。

氣流定義通常采用線性英尺每分鐘（LFPM）或立方英尺每分鐘（CMF）來表示。 CMF = LFPM * A 式中：A為氣流流通面積。

(3)增加散熱片并提供氣流

帶有氣流的散熱片可以極大地減少熱阻抗。當(dāng)使用散熱片時(shí)，最好使氣流平行于散熱片表面流動(dòng)。對(duì)于功率器件，氣流順著功率器件的長邊吹，而散熱片平行于其功率器件的短邊，這樣散熱效果最好。

8．冷卻方式的選擇

一個(gè)系統(tǒng)的冷卻方式對(duì)功率器件的選擇有非常大的影響。有些系統(tǒng)要求自然冷卻（簡稱自冷），有些則可以接受風(fēng)扇冷卻（簡稱風(fēng)冷）。

在同樣功率、同等條件下，風(fēng)冷和自冷功率器件的最大區(qū)別在于外形大小及成本方面。西方大的公司傳統(tǒng)上選擇自然冷卻，這樣可得到較長的產(chǎn)品壽命，明顯降低維護(hù)成本。 風(fēng)冷功率器件在成本和尺寸上的優(yōu)勢被它的缺點(diǎn)所抵消（如噪音、灰塵、風(fēng)扇壽命和可靠性），但實(shí)際上這些缺點(diǎn)并不是最首要考慮的問題。

一個(gè)外殼設(shè)計(jì)得極佳的自冷功率器件的可靠性比采用風(fēng)冷的功率器件要低得多，因?yàn)轱L(fēng)冷功率器件的冷卻與外殼設(shè)計(jì)無關(guān)，另外，風(fēng)冷產(chǎn)品的關(guān)鍵是半導(dǎo)體器件的溫度比自冷系統(tǒng)溫升更低，因而更可靠。 要求產(chǎn)品設(shè)計(jì)壽命超過7年時(shí)，傳統(tǒng)上不采用風(fēng)扇。

但是，如果允許定期更換風(fēng)扇，就有可能得到設(shè)計(jì)壽命更長的風(fēng)冷系統(tǒng)。如果風(fēng)冷功率器件設(shè)計(jì)成具有風(fēng)扇性能監(jiān)測、現(xiàn)場易于更換風(fēng)扇的特性，則允許系統(tǒng)以低成本獲得高可靠性。除了風(fēng)冷和自冷技術(shù)外，另外兩種技術(shù)也越來越流行，即外部系統(tǒng)冷卻和輔助風(fēng)冷。

（1）外部系統(tǒng)冷卻

外部系統(tǒng)冷卻是指由中央冷卻裝置提供空氣流對(duì)功率器件進(jìn)行冷卻，這種方法可以得到高功率密度，而且避免了采用功率器件的設(shè)備內(nèi)裝風(fēng)扇帶來的一些缺點(diǎn)。

(2)輔助風(fēng)冷

輔助風(fēng)冷是指功率器件的冷卻是由間斷運(yùn)行的風(fēng)扇提供的。如果溫度過高或持續(xù)輸出大電流，風(fēng)扇就會(huì)運(yùn)轉(zhuǎn)。采用這種方式可以獲得很高的系統(tǒng)集成度，但需要經(jīng)常讓風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)并定期檢測其性能。如果風(fēng)扇工作不正常，就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。該方法的好處有：

1）在不更換的情況下，風(fēng)扇間斷運(yùn)轉(zhuǎn)使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)壽命比功率器件內(nèi)強(qiáng)制風(fēng)冷要長。

2）在正常情況下功率器件的冷卻風(fēng)扇不轉(zhuǎn)。

3）由于風(fēng)扇間斷運(yùn)行，灰塵和噪音問題也大大緩解。

審核編輯：劉清