IGBT功率器件的散熱方式

IGBT功率器件散熱

功率器件的正常運(yùn)行在很大程度上依賴于散熱。常用的散熱方式有自冷、風(fēng)冷、水冷和沸騰冷卻四種。

自冷是利用空氣的自然對流及輻射作用將熱量帶走的冷卻方式，其結(jié)構(gòu)簡單，無機(jī)械動作，無需維護(hù)，也沒有噪聲；但散熱效率比較低。

風(fēng)冷是采用電風(fēng)扇強(qiáng)制通風(fēng)、加強(qiáng)對流的散熱方式，散熱效率一般是自冷的2-4倍；但風(fēng)扇會產(chǎn)生噪聲，同時(shí)也需要消耗電源的電能。

水冷是利用冷卻介質(zhì)的循環(huán)進(jìn)行冷卻的方式，冷卻介質(zhì)除水之外，還可采用變壓器油等，散熱效率一般是自冷的150倍以上；但設(shè)備復(fù)雜，成本高。

沸騰冷卻是將冷卻介質(zhì)在密閉容器中加壓，通過介質(zhì)物相的變化進(jìn)行冷卻的方式，其冷卻效率極高，裝置體積較小；但造價(jià)昂貴。

在一般的功率電路中，自冷是使用最為普遍的冷卻方式，通過連接在功率器件外殼上的散熱片，加大散熱面積，實(shí)現(xiàn)功率器件發(fā)熱率與散熱率的熱平衡，保證功率器件的結(jié)溫在允許的范圍內(nèi)，

對于一些功率相對較小的器件，特別是一些集成芯片，可以采用印刷線路板上的敷銅板進(jìn)行散熱，即在走線時(shí)，將器件中用于散熱的引腳所連接的敷銅線布得很寬，使該引腳連線附近處連接有足夠的敷銅面積。當(dāng)器件工作時(shí)，器件中的熱量可通過引腳傳遞到附近的敷銅線上，并由敷銅線進(jìn)行散熱。然而，這種方式的散熱能力畢竟是比較小的，因此，大部分的功率器件仍需采用專用的散熱片進(jìn)行散熱。

常用的散熱片形狀如圖2所示，主要有平板型、插指型和型材型等幾種。采用散熱片散熱時(shí)，功率器件的熱阻為

式中，Rθjc，功率器件PN結(jié)到外殼的熱阻；Rθcs，功率器件外殼與散熱片接觸面處的熱阻；Rθsa，散熱片到大氣環(huán)境的熱阻。

功率器件PN結(jié)到外殼的熱阻Rθjc一般均比較小，且耗散功率越大的器件Rθjc越小。通常耗散功率為幾十瓦的器件Rθjc在3℃/W以下，而耗散功率上百瓦的器件Rθjc在1.5℃/W以下，耗散功率更大的器件Rθjc則更小。

功率器件外殼與散熱片的接觸面上需要涂抹導(dǎo)熱硅脂，利用導(dǎo)熱硅脂去除器件與散熱片表面之間因存在細(xì)微不平而出現(xiàn)的空氣縫隙，以便有效地利用整個表面區(qū)域進(jìn)行熱傳導(dǎo)。由于各種功率器件外殼的大小不同，因此不同的功率器件與散熱片接觸面處的熱阻Rθcs也不同，但一般情況下熱阻Rθcs很小，通常在0.2-1℃／W之間。功率器件的外殼通常是與其集電扳（漏極）連接在一起的，有時(shí)為了實(shí)現(xiàn)功率器件與散熱片的絕緣，常在功率器件外殼與散熱片之間墊一層薄云母片。墊入云母片后會使熱阻Rθcs稍有增加。

散熱片到大氣環(huán)境的熱阻Rθsa與散熱片的表面積、形狀，顏色、安放方式等均有關(guān)。散熱片表面通常進(jìn)行發(fā)黑處理或鈍化，借以提高輻射系數(shù)，一般黑色散熱片比光亮散熱片可減少10%-15%的熱阻。散熱片應(yīng)豎直向上安放，以利用“煙囪效應(yīng)”便于散熱，通常垂直安放的散熱片比水平安放的散熱片熱阻可降低15%-20%。由于散熱片的表面積遠(yuǎn)大于功率器件外殼，因此其到大氣環(huán)境的熱阻遠(yuǎn)小于功率器件外殼直接到大氣環(huán)境的熱阻。各種散熱片到大氣環(huán)境的熱阻Rθsa將由生產(chǎn)廠商提供，可根據(jù)對于熱阻參數(shù)Rθsa的要求選擇適當(dāng)?shù)纳崞?br /> 由上分析可見，式中的熱阻Rθ雖然由三項(xiàng)組成，但三項(xiàng)熱阻之和依然遠(yuǎn)小于功率器件不加散熱片時(shí)PN結(jié)直接到大氣環(huán)境的熱阻Rθja。因此，對功率器件加裝適當(dāng)?shù)纳崞?，可以有效地提高散熱能力，使器件的發(fā)熱量與散熱量相平衡，將功率器件的結(jié)溫穩(wěn)定在最高允許結(jié)溫之下。

功率器件的散熱器應(yīng)根據(jù)功率器件工作時(shí)的功率損耗、PN結(jié)到外殼的熱阻等數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。下面舉例說明此設(shè)計(jì)過程。

例 某IGBT管以PWM方式控制電阻性負(fù)載，脈沖頻率fs=10KHz，最大占空比D=0. 8，電路的電源電壓為 300V，負(fù)載電流為20A，IGBT管開通時(shí)其集電極-發(fā)射極間電壓降為1V．開通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間分別為1uS和1.5uS。IGBT管的PN結(jié)到外殼熱阻Rθjc=0.8℃/W，外殼到散熱片熱阻Rθcs=0.25℃/W。計(jì)算當(dāng)TA =25℃時(shí)，使IGBT管的結(jié)溫不超過125℃的散熱片熱阻RθSA。
解 (1) 計(jì)算IGBT管的功率損耗P

(2) 計(jì)算散熱片熱阻RθSA

因此，選擇熱阻小于1.439℃/W的散熱片就可以保證IGBT管的結(jié)溫不超過125℃。

功率器件的散熱是功率電子電路必須要解決的問題，幾乎所有的功率器件均需要配有相應(yīng)的散熱裝置才可以工作。應(yīng)根據(jù)功率器件的功耗以及熱阻參數(shù)，選擇相應(yīng)的散熱裝置進(jìn)行散熱，保證功率器件的正常工作。