IGBT模块的热设计和散热器设计

由于IGBT模块在IGBT变流器工作过程要产生功率损耗即内损耗，内损耗引起发热，温度上升，IGBT温度高低与器件内损耗大小、芯片到环境的传热结构、材料和器件冷却方式以及环境温度等有关。当发热和散热相等时，器件达到稳定温升，处于均衡状态，即稳态。器件的芯片温度不论在稳态，还是在瞬态，都不允许超过器件的最高允许工作温度，即IGBT结温，否则，将引起器件电或热的不稳定而导致器件失效。因此计算IGBT功率损耗、温度，采取必要的IGBT散热措施是十分重要的。
一、IGBT模块的发热：
IGBT模块的发热主要因功率损耗引起。对任意波形的连续脉冲电压u(t)、电流I(t)流过IGBT模块，其平均功率损耗：

式中，T为开关周期；fs为开关频率。
在IGBT模块实际应用中，平均功率损耗的计算比较复杂。一般来讲，主要由开关损耗、通态损耗、断态漏电损耗和驱动损耗等成分构成。但就具体器件和具体工作情况而言，有些损耗可以忽略。
1．开关损耗
图1为阻性负载开通与关断过程电压、电流及功率损耗波形。在开通过程，电流线性上升、电压线性下降；在关新过程，电流线性下降、电压线性上升。在一个周期内平均损耗：

如图2为感性负载开通与关断过程电压、电流及功率损耗波形。不失一般性，假定负载电流连续平滑，换流期间为恒定值。在开通过程，电流基本呈线性上升、电压为电源电压Ud；在关断过程，电流线性下降、电压为电源电压Ud。在一个周期内平均损耗：

式中，Ud为断态电压，即电源电压；Ic为通态最大电流；T为开关周期，fs为开关频率；ton和toff分别为开通时间和关断时间。

2．通态损耗
因为IGBT模块是非理想器件，导通期间有电压降，对于输出极为双极性的器件，假设其通态压降为Uon，则当器件通过占空比为D、幅值为Ic的矩形连续电流脉冲时的平均通态功耗：

对于输出极为单极性的器件，如MOSFET，导通时压降大小用通态电阻Rds描述，若漏极电流为IDS则平均通态功耗：

3．断态漏电损耗
在IGBT模块关断期间，有微小的漏电流IC0，若断态电压Ud很高，仍会产生明显的断态功率损耗，其值为：

一般情况下PC0值较小，可以忽略不计。
4．驱动损耗
驱动损耗指器件开关过程中消耗在控制极上的功率。一般情况下驱动损耗相对较小，可以忽略，只有电流驱动型器件，如GTR和GTO，在通态电流比较大情况下必须考虑。GTO在关断大电流时的控制极关断电流比较大，而GTR由于电流增益倍数比较小为维持集电极电流所需要的基极电流IB比较大，假设基极一发射极饱和压降为UBE(sat)，则驱动损耗：