IGBT器件工作时产生的热量会使芯片温度升高。如果IGBT散热问题处理不好,就有可能使芯片温度升高到超过所允许的最高IGBT结温,从而导致器件性能恶化或失效。若在电路设计中,进行了合理的散热设计,不但能使器件的潜力得到充分发挥,而且还能提高电路的可靠性。因此,IGBT散热设计也是功率电子电路设计任务中不可缺少的重要环节之一。
    IGBT散热设计的基本任务是,根据传热学的基本原理,为器件设计一热阻尽可能低的热流通路,使器件发出的热量能通过它尽快地发散出去,从而保证器件运行时,其内部的结温始终保持在允许的结温之内。
    随着IGBT器件容量的不断增大,对散热效能提出越来越高的要求。散热器发展初期,选配散热器不是以结温,而是以额定电流作为依据。也就是说,一定额定电流下的器件必须配一定型号的散热器,这种指导思想在实际使用中曾被普遍采用。但是实践证明,当额定电流相同的器件(正向压降不同),配以相同的散热器时,有的能够长期可靠运行,有的却很快损坏,因此不得不在标准中规定器件必须带散热器一起试验,一起出厂,这样大大影响了散热器的可换性,使制造单位和使用单位都感很不便,而且也很不经济。
    采用结温作为器件与散热器匹配的依据,并建立了稳态热(简称热阻)概念之后,散热器的可换性得到了保证。因为两者的匹配关系可以通过计算来确定,使用者可根据实际的稳态耗散功率(不是额定电流)及实际介质温度来选择理想的散热器。只有这样,才能保证使用者能够经济又灵活地选配散热器,使器件的制造厂达到分别试验、分别出售的目的。
    安装散热器的基本目的是把IGBT器件中产生的热量传递出去。与其他物体传热一样,有下面三种方式;热传导、热对流和热辐射。
    散热器的类型
    IGBT器件配用的散热器通常有自冷式、风冷式、液冷式和沸腾式四大类。
    1.自冷式散热器
    自冷式是通过空气自然对流及辐射作用将热量带走的散热方式。这种散热的效率很低,对流换热系数。α仅有(6~13)x 4.18 x103J/h.m2.K,但是它的结构简单、噪音小、维护方便,无需风机或循环系统等优点。通常适用于额定电流在20A以下的器件或简单装置中的大电流器件。随着半导器件价格的不断降低,较大器件也采用自冷式散热器,尤其在冲击负载的变流装置中应用更广泛。国内螺栓式器件使用的标淮散热器型号和部分参数见表1,结构示意见图1。
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    国产自冷式型材散热器和叉指型散热器的型号和其对应的热阻Rθs-a之值见表2和表3,它们的外形图和特性曲线如图2和图3所示。从表2和表3可见,散热器到环境的热阻Rθs-a随加于散热器上的耗散功率PC值的增大而略有下降。这是因为当加于散热器上的功率Pc增大时,散热器的温升此也就随之增大。散热器与环境之间的温差增大,散热器的辐射散热和对流散热的散热能力就增强,所以其热阻Rθs-a呈现略有下降趋势。2.风冷式散热器
    风冷式散热器主要用于电流额定值在50—500A的器件。风冷式散热器的特点是散热效率高,其换热系数为(35~52)x 4.18 x103J/h.m2.K。是自冷式散热的效率的2~4倍。但是采用风冷需配备风机,因而出现噪声大,容易吸入灰尘,可靠性相对降低,维护困难等缺点。
    散热器材料质量特性,对散热效率有显著影响。紫铜导热系数较高为 330 x 4.18 x103J/h.m2.K,相当于工业纯铝160 x 4.18 x103J/h.m2.K的2倍,在相同散热效率下,紫铜散热器的体积为铝质散热器的1/2—1/3,并且有耐盐露等优点。但由于铜的比重大,价格高(为铝材的3倍左右),一般较少应用。
    螺栓式器件用的SL系列风冷式散热器型号和部分参数见表4所列,结构示意图见图4。平板式器件用的SF系列风冷式散热器型号和部分参数见表5,结构示意图如图5所示。在风冷装置内部的冷却风速标准值为6m/s,若风速小于标准值时,应根据制造单位所提供的资料查取对应于实际风速的热阻。当制造单位没有给出低于标准风速下的热阻时,可以近似地用表6所列系数乘以额定热阻RSA。器件的容量随风速降低而减小,亦即系数K随风速下降而增大。
    在进行风冷式散热设计时,需计算空气流量,可用下面两个公式:式中 PD——电源的总耗散功率;
    △T——装置内部和外部温度之差。image.png
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