IGBT模块散热技术研究和设计步骤作者:微叶科技 时间:2015-07-21 17:02
1.IGBT的散热设计规则
P<Q=(Tj—Ta)/R (1)
式中,P为功率器件的损耗功率,功率器件在工作时自身产生的平均稳态功率消耗,定义为平均有效值输出电流与平均有效值电压降的乘积。Q为耗散功率,特定散热结构的散热能力。21为元件工作结温,即元件允许的最高工作温度极限。本参数由制造厂提供,或产品标准强制给出要求。Ta为环境温度;R为热阻,热量在媒质之间传递时,单位功耗所产生的温升。
R=△T/Q (2)
而热阻尺又主要由三部分组成:
R=Rjc+Rcs+Rsa (3)
式中,Rjc为结点至管壳的热阻;Rjc与IGBT的工艺水平和结构有很大关系,由制造商给出。Rcs为管壳至散热器的热阻;Rcs与管壳和散热器之间的填隙介质(通常为空气)、接触面的粗糙度、平面度以及安装的压力等密切相关。介质的导热性能越好,或者接触越紧密,则Rcs越小。Rsa为散热器至空气的热阻;Rsa是散热器选择的重要参数。它与材质、材料的形状和表面积、体积、以及空气流速等参量有关。综合(1)和(3)可得
Rsa<[(Tj—Ta)/P]—Rjc—Rcs (4)
式(4)为散热器选配的基本原则,一般散热器厂商提供特定散热器材料的形状参数和热阻特性曲线,据此设计人员可计算出所需散热器的表面积、长度、重量,并进—步求得散热器的热阻值Rsa。在实际设计中应留出足够余量,因为提供数据的准确性、由功率器件到散热器的安装状况、散热器表面的空气对流状态、热量的非稳态分布等,都是非理想化的因素,应将这些因素考虑到设计中。 另外,散热器表面向空气的热辐射,也是一种热耗散方式。在自冷设计中广泛应用的阳极氧化发黑和打毛处理工艺,即是增加热辐射的有效办法。但该办法明显不适用要求强迫风冷的以对流传导为主要方式的热设计,因为散热器表面越光亮则热阻越低,这是在设计中要特别注意的。 3.热设计中常用的几种方法 为了将发热器件的热量尽快地发散出去,一般从以下几个方面进行考虑:使用散热器、冷却风扇、金属PCB、散热膏等,在实际设计中要针对产品的要求及最佳性价比,合理地将上述几种方法综合运用到功率器件的热设计中。 4.功率模块的散热器设计 由于功率模块所产生的热量在所设计的系统中占主导地位,其热量主要来源于功率模块的开通、关断及导通损耗。从电路拓扑方式上来讲,采用零开关变换拓扑方式使电路中的电压或电流在过零时开通或关断,可最大限度地减少开关损耗-匿匠无法彻預瀑頭妇于关管的损耗,故利用散热器是常用及主要的方法。 (1)散热器的热阻模型 由于散热器是功率模块散热的重要部件,它的散热繃嘲高与低关系到功率模的工作性能。散热器通常采用铜或铝,虽然铜的热导率比铝高2倍,但其价格比铝高得多,故目前采用铝材料的情况较为普遍。通常来讲,散热器的表面积越大散热效果越好。散热器的热阻模型及等效电路如图1和图2所示,半导体结温公式如下式:
图1 散热器热阻模型
图2 热阻模型等效电路
Pcmax(ta)=(tjmax~ta)/θj-a (5)
Pcmax(tc)=(tjmax~tc)/θj-c (6)
式中,Pcmax(ta)为功率模块在环境温度为ta时的额定最大损耗;Pcmax(tc)为功率模块在预定的工作环境温度tc时的额定最大损耗;tjmax:为功率模块最大允许结温;ta为环境温度;tc为预定的工作环境温度。θj-a为环境温度为ta时的全热阻;θj-c为预定的工作环境温度tc时的全热阻。在图2中θs为绝缘垫热阻抗;θc为接触热阻抗(半导体和散热器的接触部分);θf为散热器的热阻抗(散热器与空气);θi为内部热阻抗(PN结接合部与外壳封装);θb为外部热阻抗(外壳封装与空气)。根据图2所示的热阻等效回路,全热阻可写为
θj-a=θi+[θb×(θs+θc+θf)]/(θb+θs+θc+θf) (7)
又因为θb比θs+θc+θf大很多,故可近似为:
θj-a=θi+θs+θc+θf (8)
(2)热阻定义1) PN结与外部封装间的热阻抗(又叫内部热阻抗)θi与半导体PN结构、所用材料、外部封装内的填充物直接相关,每种半导体都有自身固有的热阻抗。 2) 接触热阻抗θc是由半导体、封装形式和散热器的接触面状态所决定,接触面的平坦度、粗糙度、接触面积、安装方式都会对它产生影响。当接触面不平整、不光滑或接触面紧固力不足时就会增大接触热阻抗θc。在半导体和散热器之间涂上硅油可以增大接触面积,排除接触面之间的空气,而硅油本身又有良好的导热性,可降低接触热阻抗θc。 当前有一种新型的相变材料,可取代硅油作为传热介面,在65℃(相变温度)时从固体变为流体,从而确保界面的完全润湿,该材料的触变特性避免其流到介面外。其传热效果与硅油相当,但没有硅油带来的污垢、环境污染和难于操作等缺点。用于不需要电气绝缘的场合。典型应用包括CPU散热片,功率模块或其他任何使用硅油的场合,它可涂布在铝质基材的两面,可单面附胶,双面附胶或不附胶。 3) 绝缘垫热阻抗θs。绝缘垫是用于半导体器件和散热器之间的绝缘体,绝缘垫的热阻抗θs取决于绝缘材料的材质、厚度、面积。几种常用半导体封装形式的θs+θc见表1。
表1 常用半导体封装形式的θs+θc
S=0.86/(δt×α)m2 (9)
式中,δt为散热器温度与周围环境温度(ta)的差(℃);α为热传导系数,是由空气的物理性质及空气流速决定。α由下式决定。
α=nV×λ/L (10)
式中,λ为热电导率,由空气的物理性质决定;L为散热器高度(m);nV为空气流速系数,由下式决定。
(11)
式中,v为动粘性系数(m2/S);v’为散热器表面的空气流速(m/s);Pr为系数,见表2。
表2 Pr系数
在实际工作中,采用普通散热器与强迫风冷相结合的措施,并在散热器上安装温度开关。当温度达到75-80℃时,通过关闭信号停止对PMW发送控制信号,从而使驱动器封锁IGBT的开关输出,并予以关断保护。一个系统的冷却方式对IGBT的选择有非常大的影响。有些系统要求自然冷却(简称自冷),有些则可以接受风扇冷却(简称风冷)。在同样功率、同等条件下,风冷和自冷IGBT的最大区别在于外形大小及成本方面。西方大的公司传统上选择自然冷却,这样可得到较长的产品寿命,明显降低维护成本。 风冷IGBT在成本和尺寸上的优势被它的缺点所抵消(如噪声,灰尘,风扇寿命和可靠性),但实际上这些缺点并不是最首要考虑的问题。一个外壳设计得极佳的自冷IGBT的可靠性比采用风冷的IGBT要低得多,因为风冷IGBT的冷却与外壳设计无关。另外,风冷产品的关键是半导体器件的温度比自冷系统温升更低,因而更可靠。 要求产品设计寿命超过7年时,传统上不采用风扇。但是,如果允许定期更换风扇,就有可能得到设计寿命更长的风冷系统。如果风冷IGBT设计成具有风扇性能监测、现场易于更换风扇的特性,则允许系统以低成本获得高可靠性。除了风冷和自冷技术外,另外两种技术也越来越流行:外部系统冷却和辅助冷却。 在功率模块的实际应用设计过程中,通常采用自然风冷与风扇强制风冷二种形式。自然风冷的散热片安装时应使散热片的叶片竖直向上放置,若有可能则可在散热片安装位置的周围钻几个通气孔便于空气的对流。 强制风冷是利用风扇强制空气对流,冷却是由间断运行的风扇提供的。如果温度过高或持续输出大电流时,风扇就会运转。采用这种方式可以获得很高的系统集成度,但需要经常让风扇运转并定期检测其性能。所以在风道的设计上同样应使散热片的叶片轴向与风扇的抽气方向一致,为了有良好的通风效果,越是散热量大的功率模块越应靠近排气风扇,在有排气风扇的情况下,散热片的热阻见表3。
表3 散热片的热阻
1)风扇间断运转使得系统设计寿命比IGBT内强制风冷要长。 2)在正常情况下IGBT的冷却风扇不转。 3)由于风扇间断运行,灰尘和噪声问题也大大缓解。 表4给出了各种冷却方式下的典型功率密度。
表4 各种冷却方式下的典型功率密度
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