IGBT功率器件散熱

功率器件的正常運行在很大程度上依賴于散熱。常用的散熱方式有自冷、風冷、水冷和沸騰冷卻四種。

自冷是利用空氣的自然對流及輻射作用將熱量帶走的冷卻方式，其結構簡單，無機械動作，無需維護，也沒有噪聲；但散熱效率比較低。

風冷是采用電風扇強制通風、加強對流的散熱方式，散熱效率一般是自冷的2-4倍；但風扇會產生噪聲，同時也需要消耗電源的電能。

水冷是利用冷卻介質的循環進行冷卻的方式，冷卻介質除水之外，還可采用變壓器油等，散熱效率一般是自冷的150倍以上；但設備復雜，成本高。

沸騰冷卻是將冷卻介質在密閉容器中加壓，通過介質物相的變化進行冷卻的方式，其冷卻效率極高，裝置體積較小；但造價昂貴。

在一般的功率電路中，自冷是使用最為普遍的冷卻方式，通過連接在功率器件外殼上的散熱片，加大散熱面積，實現功率器件發熱率與散熱率的熱平衡，保證功率器件的結溫在允許的范圍內，

對于一些功率相對較小的器件，特別是一些集成芯片，可以采用印刷線路板上的敷銅板進行散熱，即在走線時，將器件中用于散熱的引腳所連接的敷銅線布得很寬，使該引腳連線附近處連接有足夠的敷銅面積。當器件工作時，器件中的熱量可通過引腳傳遞到附近的敷銅線上，并由敷銅線進行散熱。然而，這種方式的散熱能力畢竟是比較小的，因此，大部分的功率器件仍需采用專用的散熱片進行散熱。

常用的散熱片形狀如圖2所示，主要有平板型、插指型和型材型等幾種。采用散熱片散熱時，功率器件的熱阻為

式中，Rθjc，功率器件PN結到外殼的熱阻；Rθcs，功率器件外殼與散熱片接觸面處的熱阻；Rθsa，散熱片到大氣環境的熱阻。

功率器件PN結到外殼的熱阻Rθjc一般均比較小，且耗散功率越大的器件Rθjc越小。通常耗散功率為幾十瓦的器件Rθjc在3℃/W以下，而耗散功率上百瓦的器件Rθjc在1.5℃/W以下，耗散功率更大的器件Rθjc則更小。

功率器件外殼與散熱片的接觸面上需要涂抹導熱硅脂，利用導熱硅脂去除器件與散熱片表面之間因存在細微不平而出現的空氣縫隙，以便有效地利用整個表面區域進行熱傳導。由于各種功率器件外殼的大小不同，因此不同的功率器件與散熱片接觸面處的熱阻Rθcs也不同，但一般情況下熱阻Rθcs很小，通常在0.2-1℃／W之間。功率器件的外殼通常是與其集電扳（漏極）連接在一起的，有時為了實現功率器件與散熱片的絕緣，常在功率器件外殼與散熱片之間墊一層薄云母片。墊入云母片后會使熱阻Rθcs稍有增加。

散熱片到大氣環境的熱阻Rθsa與散熱片的表面積、形狀，顏色、安放方式等均有關。散熱片表面通常進行發黑處理或鈍化，借以提高輻射系數，一般黑色散熱片比光亮散熱片可減少10%-15%的熱阻。散熱片應豎直向上安放，以利用“煙囪效應”便于散熱，通常垂直安放的散熱片比水平安放的散熱片熱阻可降低15%-20%。由于散熱片的表面積遠大于功率器件外殼，因此其到大氣環境的熱阻遠小于功率器件外殼直接到大氣環境的熱阻。各種散熱片到大氣環境的熱阻Rθsa將由生產廠商提供，可根據對于熱阻參數Rθsa的要求選擇適當的散熱片。
由上分析可見，式中的熱阻Rθ雖然由三項組成，但三項熱阻之和依然遠小于功率器件不加散熱片時PN結直接到大氣環境的熱阻Rθja。因此，對功率器件加裝適當的散熱片，可以有效地提高散熱能力，使器件的發熱量與散熱量相平衡，將功率器件的結溫穩定在最高允許結溫之下。

功率器件的散熱器應根據功率器件工作時的功率損耗、PN結到外殼的熱阻等數據進行設計。下面舉例說明此設計過程。

例 某IGBT管以PWM方式控制電阻性負載，脈沖頻率fs=10KHz，最大占空比D=0. 8，電路的電源電壓為 300V，負載電流為20A，IGBT管開通時其集電極-發射極間電壓降為1V．開通時間和關斷時間分別為1uS和1.5uS。IGBT管的PN結到外殼熱阻Rθjc=0.8℃/W，外殼到散熱片熱阻Rθcs=0.25℃/W。計算當TA =25℃時，使IGBT管的結溫不超過125℃的散熱片熱阻RθSA。
解 (1) 計算IGBT管的功率損耗P

(2) 計算散熱片熱阻RθSA

因此，選擇熱阻小于1.439℃/W的散熱片就可以保證IGBT管的結溫不超過125℃。

功率器件的散熱是功率電子電路必須要解決的問題，幾乎所有的功率器件均需要配有相應的散熱裝置才可以工作。應根據功率器件的功耗以及熱阻參數，選擇相應的散熱裝置進行散熱，保證功率器件的正常工作。