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、自然空氣流動的情況下測試的。對于溫度較高的地方，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。同時考慮到空氣的對流，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流。
所有的功率器件在運(yùn)行時，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最差的環(huán)境溫度。
  功率器件在工作時若發(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。
  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，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，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)冷的以對傳導(dǎo)為主要方式的熱設(shè)計(jì)，因?yàn)樯�熱器表面越光亮，則熱阻越低。這是在設(shè)計(jì)中要特別注意的。
6．計(jì)算功率器件的殼溫
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、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。