IGBT模块的散热设计

由于IGBT模块自身有一定的功耗，IGBT模块本身会发热。在一定外壳散热条件下，功率器件存在一定的温升（即壳温与环境温度的差异）。IGBT模块外壳散热表面积的大小直接影响温升。对于温升的粗略估计可以使用这样的公式：温升=热阻系数×功率器件的功耗。热阻系数对于涂黑紫铜的外壳P25xxx（用于SMP-1250系列产品的外壳）来说约为3.76℃/W。这里的温升和系数是在功率器件直立并使下方悬空1cm、自然空气流动的情况下测试的。对于温度较高的地方，须将IGBT模块降额使用以减小功率器件的功耗，从而减小温升，保证外壳不超过极限值。对于功率较大的功率器件，须加相应的散热器以使功率器件的温升得到下降。不同的散热器在自然的条件下有不同的对环填的热阻，主要影响散热器热阻的因素是散热器的表面积。同时考虑到空气的对流，如果使用带齿的散热器，应考虑齿的方向尽量不阻碍空气的自然对流。
所有的功率器件在运行时，由于内部功率消耗都将产生一些热量。在每一应用中都有必要限制这种“自身发热”，使功率器件外壳温度不超过指定的最大值。
绝大多数功率器件生产商都以产品的功率密度作为水准衡量产品的有效性。功率密度通常由瓦/立方英寸(W/in3)来表示。了解功率密度定义的条件是非常重要的。如果用户不能在规定的最大的环境温度范围内使用功率器件，就有可能达不到参数中的最大输出功率。功率器件可用的平均输出功率就是可用的功率密度，功率器件的功率密度取决于下列因素。
1）要求的输出功率。要求的输出功率是应用需要的最大平均功率。
2）热阻抗。热阻抗的定义是功率消耗产生的温升，通常用℃/W度量。
3）外壳最高工作温度。所有功率器件都规定了外壳最高工作温度，该温度是指功率器件内部的元件工作时所能承受的最高温度。为保持功率器件的可靠性，应工作在最高温度以下。
4）工作环境温度。它是指在功率器件工作时最差的环境温度。
功率器件在工作时若发热量太大，且又来不及向周围媒质消散，功率器件就会因超过其正常工作的保证温度而失效。因此，选配合适的散热器是元器件可靠工作的重要条件之一。
在功率器件的热设计中所需的主要参数有以下几个。
1）功率器件的工作结温Tj：即器件允许的最高工作温度极限。本参数由制造厂提供，或由产品标准强制给出要求。
2）功率器件的损耗功率Pz：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。
3）功率器件的耗散功率Q：指特定散热结构的散热能力。
4）功率器件的热阻R：指热量在媒质之间传递时，单位功耗所产生的温升。

IGBT模块的散热设计取决于IGBT模块所允许的最高结温（正）。在该温度下，首先要计算出器件产生的损耗，按该损耗使结温升控制在允许值以下来选择散热片。在散热设计不充分的场合，实际运行在中等水平时，也有可能超过器件允许温度而导致器件损坏。
为了使管壳、散热器的热阻接近参数表给出的数值，安装中应按模块的规定值进行。若安装力矩过大，往往会损坏管芯；若安装力矩过小，则散热性能较差。散热器的配置目的是必须保证它能将器件的热损耗有效地传导至周围环境，并使其热源（结点）的温度不超过Tj。用公式表示为

式中：Ta为环境温度；R为热阻。
热阻R又主要由以下三部分组成

式中：Rjc为结点至管壳的热阻；Rcs为管壳至散热器的热阻；Rsa为散热器至空气的热阻。
其中：
1）Rjc与功率器件的工艺水平和结构有很大关系，由制造商给出。
2）Rcs与管壳和散热器之间的填隙介质（通常为空气）、接触面的粗糙度和平面度以及安装的压力等因素密切相关。介质的导热性能越好或者接触越紧密，则Rcs越小。
3）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。
综合式( 6-9)和式(6-10)，可得

式(6-11)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、长度和重量，并进一步求得散热器的热阻值Rsa。
在实际设计中应留出足够裕量，因为提供数据的准确性、由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。
6．计算功率器件的壳温
在应用场合中有许多因素都有可能影响功率器件外壳的工作温度。在应用中，温度的冷却和最高外壳工作温度都需要认真地核对、检查。估算功率器件外壳工作温度的过程如下：
1）确定应用所需要的最大输出功率。
2）确定应用的最高工作环境温度；应该用功率器件周围最高的环境温度。
3）可按下式计算所估计的功率器件的外壳工作温度。

式中： Rca=Rcs+Rsa；Tcase为外壳温度；Tambient为环境温度；Pinternal为内部功率消耗；Rca为外壳到环境的热阻抗；Rcs为外壳到散热片的热阻抗；Rsa为散热片到环境的热阻抗。
4）在应用中通过测量外壳温度检验功率器件的热特性。
7．降低功率器件的外壳温度
在一定的工作环境温度和输出负载条件下，在正常的大气环境下（自然对流冷却）功率器件外壳到周围环境的热阻抗可能使功率器件外壳的工作温度超过特定的最大值。如果确实如此，就需要降低功率器件外壳到周围环境的热阻抗，从而降低功率器件外壳工作温度。下面的技术可以用来减小热阻抗Rca。
(1)附加散热片
散热片的用途是增大散热面积，以便将功率器件产生的热量转移到空气中。这会导致比较小的热阻抗，但会增加功率器件的体积。当使用散热片时，将散热片在空气中垂直排列会产生最好的效果。如果散热片不是暴露在空气中，热量转移将受到一定的影响。当给功率器件添加散热片时，应考虑散热片装配表面与功率器件外壳之间热阻抗。计算公式如下：
Rca=Rcs+Rsa
因为功率器件外壳和散热片装配表面不是完全平坦的，所以组装时在两个表面之间会产生空隙。这些空隙产生热阻抗Rcs，可使用热表面材料将表面热阻抗减少到最小。使用这种
热表面材料，Rcs值可以达到1℃/W以下。
(2)提供气流
气流对于改进功率器件的散热状况并减小热阻抗是非常有效的。气流可迫使空气冷却，应用中可使用风扇或吹风机。因气流可降低热阻抗而不用加散热片，从而也不用增加功率器件的体积。在某些应用场合没有气流，但加装风扇也不是最佳选择，因为风扇会增加系统整体体积，影响系统的平均无故障工作时间( MTBF)，并产生可以听到的噪音。气流定义通常采用线性英尺每分钟（LFPM）或立方英尺每分钟（CMF）来表示。
CMF = LFPM * A
式中：A为气流流通面积。
(3)增加散热片并提供气流
带有气流的散热片可以极大地减少热阻抗。当使用散热片时，最好使气流平行于散热片表面流动。对于功率器件，气流顺着功率器件的长边吹，而散热片平行于其功率器件的短边，这样散热效果最好。
8．冷却方式的选择
一个系统的冷却方式对功率器件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，风冷和自冷功率器件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。
风冷功率器件在成本和尺寸上的优势被它的缺点所抵消（如噪音、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功率器件的可靠性比采用风冷的功率器件要低得多，因为风冷功率器件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。如果风冷功率器件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，即外部系统冷却和辅助风冷。
（1）外部系统冷却
外部系统冷却是指由中央冷却装置提供空气流对功率器件进行冷却，这种方法可以得到高功率密度，而且避免了采用功率器件的设备内装风扇带来的一些缺点。
(2)辅助风冷
辅助风冷是指功率器件的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，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。如果风扇工作不正常，就会发出报警信号。该方法的好处有：
1）在不更换的情况下，风扇间断运转使得系统设计寿命比功率器件内强制风冷要长。
表6-4给出了各种冷卸方式下的典型功率密度。

2）在正常情况下功率器件的冷却风扇不转。
3）由于风扇间断运行，灰尘和噪音问题也大大缓解。