功率模塊是電力電子領(lǐng)域必不可少的元器件，它們具有功率轉(zhuǎn)換和功率管理的功能。但是， 它們在工作過程中會產(chǎn)生大量熱量，這會導(dǎo)致性能下降，甚至損壞元器件。因此，必須采取適當(dāng)?shù)睦鋮s措施，以確保功率模塊的壽命并使其發(fā)揮最佳性能。本文章將概述在為應(yīng)用設(shè)計功率模塊時可能出現(xiàn)的關(guān)于功率模塊冷卻的六個常見問題。

1.器件溫度是否均勻？

功率晶體管和二極管等功率元器件會產(chǎn)生局部熱量，容易導(dǎo)致功率模塊的溫度不均勻。因此， 功率模塊的不同部分將根據(jù)其各自的熱阻、功耗和物理位置達(dá)到不同的溫度。因此，在為應(yīng)用設(shè)計或選擇功率模塊時，確保采取適當(dāng)?shù)睦鋮s措施（例如散熱器和氣流路徑）非常重要。

由于功率模塊通常填充有硅膠或樹脂，因此在不影響準(zhǔn)確性的情況下測量元器件的溫度根本是不可能的。使用熱電偶等傳統(tǒng)方法雖然可以為每個功率元器件提供準(zhǔn)確的溫度讀數(shù)，但這還不夠。此外，還需要在不同條件下測試功率模塊，以觀察功率元器件之間的溫度變化情況。通過測量電氣參數(shù)可以確定每個分立元器件的結(jié)溫。通過添加仿真軟件，可以在設(shè)計過程中分析并聯(lián)元器件之間的電流分布。這考慮了功率模塊板的寄生效應(yīng)，并且使設(shè)計人員能夠通過使用仿真電流分布來確定每個元器件的功耗。知道功耗后就可以改善熱仿真的設(shè)置，因為之后可以在仿真過程中呈現(xiàn)出靜態(tài)情況。深度集成 FloEFD 等熱仿真軟件和Xpedition AMS 等電氣仿真軟件甚至可以進(jìn)一步改善驗證過程。借助熱模型和電氣模型的組合，可以分析兩個領(lǐng)域的開關(guān)行為。

2.器件對散熱器或外殼的熱阻值是多少？

可以使用熱敏電阻或熱成像攝像機(jī)等熱阻測量工具確定器件對散熱器或外殼的熱阻值。此方法將測量功率模塊整個表面的溫度，并且可讓您計算功率模塊和散熱器/外殼之間的熱阻。此外，功率模塊通常有額定熱阻值，該值可以在功率模塊的產(chǎn)品說明或用戶手冊中找到。

3.最佳熱界面材料是什么？

功率模塊的最佳熱界面材料 (TIM) 因應(yīng)用而異。功率模塊的常用 TIM 包括導(dǎo)熱硅脂、石墨填充墊和相變材料等化合物。每種化合物在性能、成本和安裝簡易性方面都有其各自的優(yōu)缺點。一般而言，高熱導(dǎo)率的導(dǎo)熱硅脂成本低且施用過程簡便，是功率模塊的理想選擇。然而， 石墨墊或相變材料等其他 TIM 具有更高的傳熱速率，因此可能更適合某些應(yīng)用。最終，為了確定哪種類型的 TIM 在您的特定應(yīng)用中表現(xiàn)最佳，還必須研究特定功率模塊的冷卻需求。

4.如何針對熱特性優(yōu)化器件布置？

通過考慮功耗、熱源位置和散熱器布局等因素，可以針對熱特性優(yōu)化功率模塊器件布置。為了確保適當(dāng)?shù)睦鋮s性能和高效的熱傳遞，功率模塊應(yīng)靠近散熱器放置，這樣可以減少元器件之間的熱阻。此外，功率模塊應(yīng)放置在遠(yuǎn)離其他功率模塊等高溫源的地方，以防止形成可能影響性能或造成損壞的熱點。最后，在電路板上布置多個功率模塊時，重要的是要確保有充足的氣流路徑來實現(xiàn)最高的熱效率。通過針對這些因素優(yōu)化器件布置，您將獲得更高的功率模塊冷卻性能和可靠性。

5.應(yīng)該使用什么材料？

為應(yīng)用選擇功率模塊時，考慮其結(jié)構(gòu)所使用的材料非常重要。銅和鋁等材料因其熱性能而成為功率模塊散熱器的常見選擇，而石墨填充墊或相變材料等其他材料也可與功率模塊一起使用，具體取決于特定應(yīng)用。選擇適合高溫工作且具有適合應(yīng)用的絕緣等級的功率模塊元器件也很重要。最終，最佳材料的選擇將取決于特定功率元器件的冷卻要求。

6.散熱器的尺寸是多少？

散熱器的尺寸應(yīng)根據(jù)功耗、功率模塊尺寸和氣流路徑等其他因素確定。一般而言，散熱器的表面積越大，其熱容就越大，對功率模塊的冷卻效率也就越高。此外，為了減小元器件之間的熱阻和提高冷卻性能，功率元器件應(yīng)放置在一起。