IGBT模塊的散熱設計

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行時，由于內(nèi)部功率消耗都將產(chǎn)生一些熱量。在每一應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。
在功率器件的熱設計中所需的主要參數(shù)有以下幾個。
  1）功率器件的工作結溫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)品標準強制給出要求。
  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：指特定散熱結構的散熱能力。
  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模塊的散熱設計取決于IGBT模塊所允許的最高結溫（正）。在該溫度下，首先要計算出器件產(chǎn)生的損耗，按該損耗使結溫升控制在允許值以下來選擇散熱片。在散熱設計不充分的場合，實際運行在中等水平時，也有可能超過器件允許溫度而導致器件損壞。
為了使管殼、散熱器的熱阻接近參數(shù)表給出的數(shù)值，安裝中應按模塊的規(guī)定值進行。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至周圍環(huán)境，并使其熱源（結點）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為結點至管殼的熱阻；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構有很大關系，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。介質(zhì)的導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。
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)此設計人員可計算出所需散熱器的表面積、長度和重量，并進一步求得散熱器的熱阻值Rsa。
在實際設計中應留出足夠裕量，因為提供數(shù)據(jù)的準確性、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，應將這些因素考慮到設計中。
另外，散熱器表面向空氣的熱輻射也是一種熱耗散方式。在自冷設計中廣泛應用的陽極氧化發(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迫風冷的以對傳導為主要方式的熱設計，因為散熱器表面越光亮，則熱阻越低。這是在設計中要特別注意的。
6．計算功率器件的殼溫
在應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。在應用中，溫度的冷卻和最高外殼工作溫度都需要認真地核對、檢查。估算功率器件外殼工作溫度的過程如下：
    1）確定應用所需要的最大輸出功率。
    2）確定應用的最高工作環(huán)境溫度；應該用功率器件周圍最高的環(huán)境溫度。
    3）可按下式計算所估計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）在應用中通過測量外殼溫度檢驗功率器件的熱特性。