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    IGBT模块的散热设计

    由于IGBT模块自身有一定的功耗,IGBT模块本身会发热。在一定外壳散热条件下,功率器件存在一定的温升(即壳温与环境温度的差异)。IGBT模块外壳散热表面积的大小直接影响温升。对于温升的粗略估计可以使用这样的公式:温升=热阻系数×功率器件的功耗。热阻系数对于涂黑紫铜的外壳P25xxx(用于SMP-1250系列产品的外壳)来说约为3.76℃/W。这里的温升和系数是在功率器件直立并使下方悬空1cm、自然空气流动的情况下测试的。对于温度较高的地方,须将IGBT模块降额使用以减小功率器件的功耗,从而减小温升,保证外壳不超过极限值。对于功率较大的功率器件,须加相应的散热器以使功率器件的温升得到下降。不同的散热器在自然的条件下有不同的对环填的热阻,主要影响散热器热阻的因素是散热器的表面积。同时考虑到空气的对流,如果使用带齿的散热器,应考虑齿的方向尽量不阻碍空气的自然对流。
    所有的功率器件在运行时,由于内部功率消耗都将产生一些热量。在每一应用中都有必要限制这种“自身发热”,使功率器件外壳温度不超过指定的最大值。
    绝大多数功率器件生产商都以产品的功率密度作为水准衡量产品的有效性。功率密度通常由瓦/立方英寸(W/in3)来表示。了解功率密度定义的条件是非常重要的。如果用户不能在规定的最大的环境温度范围内使用功率器件,就有可能达不到参数中的最大输出功率。功率器件可用的平均输出功率就是可用的功率密度,功率器件的功率密度取决于下列因素。
      1)要求的输出功率。要求的输出功率是应用需要的最大平均功率。
      2)热阻抗。热阻抗的定义是功率消耗产生的温升,通常用℃/W度量。
      3)外壳最高工作温度。所有功率器件都规定了外壳最高工作温度,该温度是指功率器件内部的元件工作时所能承受的最高温度。为保持功率器件的可靠性,应工作在最高温度以下。
      4)工作环境温度。它是指在功率器件工作时最差的环境温度。
      功率器件在工作时若发热量太大,且又来不及向周围媒质消散,功率器件就会因超过其正常工作的保证温度而失效。因此,选配合适的散热器是元器件可靠工作的重要条件之一。
    在功率器件的热设计中所需的主要参数有以下几个。
      1)功率器件的工作结温Tj:即器件允许的最高工作温度极限。本参数由制造厂提供,或由产品标准强制给出要求。
      2)功率器件的损耗功率Pz:器件在工作时自身产生的平均稳态功率消耗,定义为平均有效值输出电流与平均有效值电压降的乘积。
      3)功率器件的耗散功率Q:指特定散热结构的散热能力。
      4)功率器件的热阻R:指热量在媒质之间传递时,单位功耗所产生的温升。
    功率器件的热阻R
      IGBT模块的散热设计取决于IGBT模块所允许的最高结温(正)。在该温度下,首先要计算出器件产生的损耗,按该损耗使结温升控制在允许值以下来选择散热片。在散热设计不充分的场合,实际运行在中等水平时,也有可能超过器件允许温度而导致器件损坏。
    为了使管壳、散热器的热阻接近参数表给出的数值,安装中应按模块的规定值进行。若安装力矩过大,往往会损坏管芯;若安装力矩过小,则散热性能较差。散热器的配置目的是必须保证它能将器件的热损耗有效地传导至周围环境,并使其热源(结点)的温度不超过Tj。用公式表示为
    其热源(结点)的温度
    式中:Ta为环境温度;R为热阻。
      热阻R又主要由以下三部分组成
    热阻R又主要由以下三部分
    式中:Rjc为结点至管壳的热阻;Rcs为管壳至散热器的热阻;Rsa为散热器至空气的热阻。
    其中:
    1)Rjc与功率器件的工艺水平和结构有很大关系,由制造商给出。
    2)Rcs与管壳和散热器之间的填隙介质(通常为空气)、接触面的粗糙度和平面度以及安装的压力等因素密切相关。介质的导热性能越好或者接触越紧密,则Rcs越小。
    3)Rsa是散热器选择的重要参数。它与材质,材料的形状和表面积、体积,以及空气流速等参量有关。
    综合式( 6-9)和式(6-10),可得
    Rsa为散热器至空气的热阻
        式(6-11)为散热器选配的基本原则。一般散热器厂商提供特定散热器材料的形状参数和热阻特性曲线,据此设计人员可计算出所需散热器的表面积、长度和重量,并进一步求得散热器的热阻值Rsa。
    在实际设计中应留出足够裕量,因为提供数据的准确性、由器件到散热器的安装状况、散热器表面的空气对流状态、热量的非稳态分布等都是非理想化的因素,应将这些因素考虑到设计中。
    另外,散热器表面向空气的热辐射也是一种热耗散方式。在自冷设计中广泛应用的阳极氧化发黑和打毛处理工艺是增加热辐射的有效办法。但该办法明显不适用要求强迫风冷的以对传导为主要方式的热设计,因为散热器表面越光亮,则热阻越低。这是在设计中要特别注意的。
    6.计算功率器件的壳温
    在应用场合中有许多因素都有可能影响功率器件外壳的工作温度。在应用中,温度的冷却和最高外壳工作温度都需要认真地核对、检查。估算功率器件外壳工作温度的过程如下:
        1)确定应用所需要的最大输出功率。
        2)确定应用的最高工作环境温度;应该用功率器件周围最高的环境温度。
        3)可按下式计算所估计的功率器件的外壳工作温度。
    功率器件的外壳工作温度
    式中: Rca=Rcs+Rsa;Tcase为外壳温度;Tambient为环境温度;Pinternal为内部功率消耗;Rca为外壳到环境的热阻抗;Rcs为外壳到散热片的热阻抗;Rsa为散热片到环境的热阻抗。
        4)在应用中通过测量外壳温度检验功率器件的热特性。
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