關于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×功率器件的功耗。

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

這里的溫升和系數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，由于內部功率消耗都將產生一些熱量。在每一應用中都有必要限制這種“自身發熱”，使功率器件外殼溫度不超過指定的最大值。

絕大多數功率器件生產商都以產品的功率密度作為水準衡量產品的有效性。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。

如果用戶不能在規定的最大的環境溫度范圍內使用功率器件，就有可能達不到參數中的最大輸出功率。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。所有功率器件都規定了外殼最高工作溫度，該溫度是指功率器件內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）工作環境溫度。它是指在功率器件工作時最差的環境溫度。功率器件在工作時若發熱量太大，且又來不及向周圍媒質消散，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。本參數由制造廠提供，或由產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生的平均穩態功率消耗，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：指熱量在媒質之間傳遞時，單位功耗所產生的溫升。

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表給出的數值，安裝中應按模塊的規定值進行。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（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。它與材質，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和熱阻特性曲線，據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，因為提供數據的準確性、由器件到散熱器的安裝狀況、散熱器表面的空氣對流狀態、熱量的非穩態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

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境溫度；應該用功率器件周圍最高的環境溫度。

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為環境溫度；Pinternal為內部功率消耗；Rca為外殼到環境的熱阻抗；Rcs為外殼到散熱片的熱阻抗；Rsa為散熱片到環境的熱阻抗。

4）在應用中通過測量外殼溫度檢驗功率器件的熱特性。

7．降低功率器件的外殼溫度

在一定的工作環境溫度和輸出負載條件下，在正常的大氣環境下（自然對流冷卻）功率器件外殼到周圍環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。如果確實如此，就需要降低功率器件外殼到周圍環境的熱阻抗，從而降低功率器件外殼工作溫度。下面的技術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，以便將功率器件產生的熱量轉移到空氣中。這會導致比較小的熱阻抗，但會增加功率器件的體積。

當使用散熱片時，將散熱片在空氣中垂直排列會產生最好的效果。如果散熱片不是暴露在空氣中，熱量轉移將受到一定的影響。當給功率器件添加散熱片時，應考慮散熱片裝配表面與功率器件外殼之間熱阻抗。

計算公式如下：

Rca=Rcs+Rsa

因為功率器件外殼和散熱片裝配表面不是完全平坦的，所以組裝時在兩個表面之間會產生空隙。這些空隙產生熱阻抗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值可以達到1℃/W以下。 (2)提供氣流 氣流對于改進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，應用中可使用風扇或吹風機。

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。

在某些應用場合沒有氣流，但加裝風扇也不是最佳選擇，因為風扇會增加系統整體體積，影響系統的平均無故障工作時間( MTBF)，并產生可以聽到的噪音。

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。當使用散熱片時，最好使氣流平行于散熱片表面流動。對于功率器件，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

一個系統的冷卻方式對功率器件的選擇有非常大的影響。有些系統要求自然冷卻（簡稱自冷），有些則可以接受風扇冷卻（簡稱風冷）。

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

一個外殼設計得極佳的自冷功率器件的可靠性比采用風冷的功率器件要低得多，因為風冷功率器件的冷卻與外殼設計無關，另外，風冷產品的關鍵是半導體器件的溫度比自冷系統溫升更低，因而更可靠。 要求產品設計壽命超過7年時，傳統上不采用風扇。

但是，如果允許定期更換風扇，就有可能得到設計壽命更長的風冷系統。如果風冷功率器件設計成具有風扇性能監測、現場易于更換風扇的特性，則允許系統以低成本獲得高可靠性。除了風冷和自冷技術外，另外兩種技術也越來越流行，即外部系統冷卻和輔助風冷。

（1）外部系統冷卻

外部系統冷卻是指由中央冷卻裝置提供空氣流對功率器件進行冷卻，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備內裝風扇帶來的一些缺點。

(2)輔助風冷

輔助風冷是指功率器件的冷卻是由間斷運行的風扇提供的。如果溫度過高或持續輸出大電流，風扇就會運轉。采用這種方式可以獲得很高的系統集成度，但需要經常讓風扇運轉并定期檢測其性能。如果風扇工作不正常，就會發出報警信號。該方法的好處有：

1）在不更換的情況下，風扇間斷運轉使得系統設計壽命比功率器件內強制風冷要長。

2）在正常情況下功率器件的冷卻風扇不轉。

3）由于風扇間斷運行，灰塵和噪音問題也大大緩解。

審核編輯：劉清