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：







二、IGBT模块的散热
通常IGBT模块的主要发热部位在半导体芯片内部。内损耗产生的热量，首先通过热传导转移到管座和散热器上，然后经传导、对流和辐射等多种传热形式散发给空气或水等吸热介质。在这些散热方式中，辐射散失的热量很少，通常只占总散失热量的1%左右。在利用空气散热的自然冷却和风冷方式中，对流是向空气散失热量的主要方式。当用水或其他吸热介质散热时，散热器与散热介质之间的热传导则是主要的散热方式。
1 热阻和热路
当两点之间有温度差时，热能就会从高温点流向低温点。热能传输的基本方式是传导、对流和辐射。如图3所示为热传导传输示意图。设器件发热热源温度为T1l .功率为P，与热流传输方向垂直的单元两端面的面积为A、两端面间距离为L、另一端面的温度T2。假设T1大于T2，热流由左边流入，并全部由另一端面流出，则在稳态散热过程时有：

式中，K是材料的热导率，单位为W/cm℃；P是热流功率，即器件功耗，单位为W；A为端面面积，单位为cm^2；△T为热冷端温差，单位为℃。用电学模拟方法描述热量传输，将温差△T类同于电压，单位时间传输的热量P类同于电流，则热阻：其单位为℃/W。上式也表明导热材料的热阻与其热导率成反比关系。
散热设计的主要任务是根据器件的总耗散功率P，设计一个具有适当热阻的散热方式和散热器，以确保器件的芯片温度不高于额定结温Tjmax。根据式上式，当散热器环境温度为Ta时，从芯片到环境的总热阻：通常结温Tjmax是指芯片的平均温度。实际上IGBT模块芯片较大，温度分布是不均匀的。当器件因经受过载、浪涌以及结构方面的问题，而造成芯片瞬时过热时，芯片上某个局部可能形成比最高允许结温高得多的热点，严重时会导致二次击穿。考虑到上述因素，器件的最高允许工作结温要降额使用；可靠性要求越高，最高允许工作结温越低。如对于高可靠性商业设备，硅器件最高工作结温取130℃- 150℃。
IGBT模块安装在散热器上的示意图及等效热回路，如图4所示。由图可见，
芯片上内损耗产生的热能通过传导由芯片传到外壳的底座，再由外壳将少量的热量直接以对流和辐射的形式传到环境中去，而大部分通过底座经绝缘垫片直接传到散热器，最后由散热器传到空气中去。由于热传输报复杂，要进行精确计算很困难的，在工程上允许一定误差。图4中给出等效热回路，图中忽略了外壳的热量直接以对流和辐射的形式传到环境中部分。由图中可见，从芯片到环境的总热阻由3部分组成，即芯片到管壳的结壳热阻Rθj-c管壳到散热器的接触热阻Rθc-s和散热器到环境的散热器热阻Rθs-a即总热阻：在实际小功率运用场合中，一般不装散热器，则总热阻：式中，Rθc-a为管壳向环境直接散热热阻。
结-壳热阻Rθj-c和管壳直接散热热阻Rθc-a参数，由器件厂商直接提供，用户不可更改。
接触热阻Rθc-s的大小与多种因素有关。一般取决于器件封装形式、界面平整度、绝缘垫片和散热器安装压力。增加安装压力可减小接触热阻Rθc-s。
散热器热阻Rθs-a与散热器材料、形状、表面情况、功耗元件安装位置及冷却介质有关。一般来讲，自然冷却和风冷散热器表面经过黑化处理、竖直放置均可以降低散热器热阻。强迫风冷是降低散热器热阻的一种有救方式，这时的热阻与风速、空气流动形式有关。使用液体作为散热介质的液冷方式，降低散热器热阻效力更高，所用散热器体积更小，特别适用于特大功率散热情况。
根据上式和，确保器件的芯片温度不高于额定结温，可求散热器热阻：根据此式可选择适当的散热器。
以上只考虑器件在恒定平均功率下稳态热特性，对应热路是稳态热路。如果当器件工作在开关模式时，其峰值结温与平均结温有一定的差别。在电流脉冲的持续时间比较长，占空比比较高的情况下，峰值结温与平均结温非常接近，以上分析仍然适用。相反如果脉冲时间短、占空比比较低的情况下，峰值结温可能要高于平均结温，结温的高低很大程度上取决于电流脉冲形状、持续时间和重复频率，因而上述稳态热路的热阻分析计算方法不能直接使用。需要使用瞬态热阻概念。
瞬态热阻反映传热体的热惯性，假设器件的脉冲耗散功率与在占空比为1时恒定平均功率相同，因热量传导瞬变过程中加热集中，热量散发不出来，相当于热阻增大。势必造成温升增大。由于瞬态热阻与稳态热阻有一定的关系，一般采用对稳态热阻增加一比例因子作为瞬态热阻，该比例因子与脉宽和占空比有关，小于1。这样处理后仍可采用上述的稳态热阻与温差的关系计算方法。
*2 散热器设计
散热器设计的主要任务是根据选定器件的额定参数和工作特性，计算其典型工作状态中，为使结温不超过额定值所需要的接触热阻和散热器热阻，以便合理选用和安装散热器。散热器的设计不同类型的功率器件是相同的，不同之处在于器件的总耗散功率计算方法不相同。
散热器有平板散热器、型材散热器、叉指型散热器和插片式铝板散热器等，外形如图
5所示。这类散热器可参照电子工业部标准SJ2564-85规定选用。 下面举例说明散热器的设计计算。
例 某功率晶体管控制感性负载电流，电流幅值Ic=20A，频率，fs=10KHz，占空比D=0 9。该晶体管在通态和断态的集电极-发射极电压分别为1V和100V，开通时间和关断时间分别为1uS和2uS，结一壳热阻如为Rθj-c0. 7℃／W。计算当Ta= 35℃，Tjmax=125℃时的散热器热阻。
解 (1)总功耗(2) 散热器热阻
由于频率和占空比比较大，热阻按稳态计算。对于理想的管壳到散热器的接触，接触热阻Rθc-s可以忽略。若不可忽略，可通过手册查到标准管壳及限定安装条件下的Rθc-s。

根据此值Rθs-a=1.18℃／W，即可由散热器产品目录选择合适的散热器。