IGBT熱管理解決方案

自 20 世紀(jì) 80 年代開發(fā)以來，IGBT 已成為風(fēng)能、太陽能等高壓可再生能源應(yīng)用以及消費(fèi)和工業(yè)用途的電動(dòng)汽車和電動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵。

功率半導(dǎo)體、功率器件、IGBT三者有什么關(guān)系？

功率半導(dǎo)體是電力電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)電力轉(zhuǎn)換和電路控制的核心元器件。功率半導(dǎo)體又稱作電力半導(dǎo)體，主要用來對(duì)電力進(jìn)行轉(zhuǎn)換，對(duì)電路進(jìn)行控制，用于改變電壓或電流的波形、幅值、相位、頻率等參數(shù)。功率半導(dǎo)體本質(zhì)上是一種電力開關(guān)，能夠在低阻狀態(tài)下流過從幾安培到幾千安培的電流，能夠在毫秒甚至微秒時(shí)間內(nèi)對(duì)高達(dá)數(shù)千伏高電壓、數(shù)千安培的大電流進(jìn)行控制。功率半導(dǎo)體器件可用于整流（交流轉(zhuǎn)換直流）、逆變（直流轉(zhuǎn)換交流）、轉(zhuǎn)換（直流轉(zhuǎn)直流）、變頻（改變交流電頻率）、功率控制等。電力設(shè)備采用多個(gè)功率半導(dǎo)體器件按照一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行組合，就能實(shí)現(xiàn)負(fù)載電力轉(zhuǎn)換需求。功率半導(dǎo)體可以分為功率分立器件、功率模塊和功率IC。

圖1.功率半導(dǎo)體的主要分類（來源：招商銀行研究院）

功率器件按器件結(jié)構(gòu)可分為功率二極管、晶閘管、晶體管等。晶體管是電子電路的核心元件，主要包括MOSFET和IGBT， 具有高頻率、低損耗特點(diǎn)。

IGBT 耐壓較高，更適用于高壓中低頻領(lǐng)域。MOSFET功率器件是單極器件，導(dǎo)通電阻會(huì)隨著電壓增加而急速上升，因而難以實(shí)現(xiàn)耐高壓、大電流。1982年，通用電氣推出了結(jié)合MOSFET和BJT結(jié)構(gòu)的復(fù)合型器件IGBT。IGBT兼具M(jìn)OSFET 輸入阻抗高、控制功率小、驅(qū)動(dòng)電路簡單、開關(guān)速度快和BJT通態(tài)電流大、導(dǎo)通壓降低、損耗小等優(yōu)點(diǎn)，成為功率半導(dǎo)體發(fā)展方向之一。IGBT 器件結(jié)構(gòu)不斷升級(jí)，器件性能持續(xù)提升。IGBT器件經(jīng)歷七次迭代升級(jí)，在降低損耗和小型化等方面性能不斷優(yōu)化。IGBT器件從“穿通、非穿通、場截止”和“平面柵、溝槽柵”兩個(gè)方面不斷演變，在芯片面積、工藝線寬、通態(tài)飽和壓降、關(guān)斷時(shí)間、功率損耗、斷態(tài)電壓等方面不斷優(yōu)化，提升器件耐壓、降低損耗和導(dǎo)通電阻。

圖2.IGBT器件性能對(duì)比（資料來源：Yole、招商銀行研究院）

IGBT功率半導(dǎo)體上游主要包括設(shè)計(jì)、制造到封裝測試，包括晶圓、外延、制造、切割、封裝等工藝環(huán)節(jié)。功率半導(dǎo)體中游主要是電源轉(zhuǎn)換器或電源模塊，下游應(yīng)用領(lǐng)域涉新能源相關(guān)行業(yè)及所有電子行業(yè)領(lǐng)域。

IGBT 在新能源汽車、光伏、風(fēng)電、儲(chǔ)能、充電樁等新能源相關(guān)領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。隨著新能源汽車滲透率提升和光伏風(fēng)電儲(chǔ)能市場快速崛起，IGBT市場有望保持快速增長。

如今，IGBT 幾乎存在于所有電子產(chǎn)品中：醫(yī)院的 X 光機(jī)、CAT 掃描儀和 MRI 裝置等醫(yī)療診斷機(jī)器；便攜式除顫器；微波爐和電磁爐；空調(diào)和冰箱……所有風(fēng)能和太陽能裝置都利用基于 IGBT 的技術(shù)將產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)換為適合消費(fèi)和工業(yè)應(yīng)用的形式。它在提高電能使用效率和減少汽油消耗方面發(fā)揮了重要作用，因此在過去 40 年的全球減少污染的努力中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

IGBT熱管理解決方案

當(dāng)下的高功率器件在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，如果不及時(shí)有效地散熱，可能會(huì)導(dǎo)致器件的性能下降甚至損壞。因此，功率器件的熱管理至關(guān)重要。熱管理主要包括熱量的傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射，以保證器件在安全溫度范圍內(nèi)工作。

圖4.功率器件封裝結(jié)構(gòu)示意圖（來源：洞見熱管理繪制）

1、IGBT在結(jié)上發(fā)生功率損耗;

2、結(jié)上的溫度傳導(dǎo)到IGBT模塊殼上;

3、IGBT模塊上的熱傳導(dǎo)散熱器上;

4、散熱器上的熱傳導(dǎo)到空氣中。

如果IGBT模塊功率一定時(shí)，IGBT結(jié)殼之間的熱阻一定，IGBT殼與散熱器的熱阻與散熱器材料和接觸程度兩個(gè)方面有關(guān)，但此處熱阻較小，散熱器的材料及接觸程度的改變對(duì)整個(gè)散熱過程影響較小。

換言之就是主要影響散熱的是兩個(gè)方面，一是總的損耗，二是散熱器熱阻。

但是往往鑒于輸出功率及實(shí)際工況的限制，IGBT的總功率損耗是不可以改變的。

所以散熱的問題主要就是怎么改變散熱器到空氣或其他介質(zhì)之間熱阻的問題。

功率器件的耗散功率所產(chǎn)生的溫升需由散熱器來降低，通過散熱器增加功率器件的導(dǎo)熱和輻射面積、擴(kuò)張熱流以及緩沖導(dǎo)熱過渡過程，直接傳導(dǎo)或借助于導(dǎo)熱介質(zhì)將熱量傳遞到冷卻介質(zhì)中，如空氣、水或水的混合液等。

目前常用到的冷卻方式為強(qiáng)制空氣冷卻、循環(huán)水冷卻、熱管散熱器冷卻等。

（1）空氣自然散熱

空氣自然散熱是指不使用任何外部輔助能量，實(shí)現(xiàn)局部發(fā)熱器件向周圍環(huán)境散熱達(dá)到溫度控制的目的。

通常包含導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射，適用于對(duì)溫度控制要求不高、器件發(fā)熱的熱流密度不大的低功耗器件和部件，以及密封或密集組裝的器件不宜(或不需要)采用其他冷卻技術(shù)的情況。這種散熱器效率很低，不適合用于大功率器件中。

由于它的結(jié)構(gòu)簡單、無噪音、免維護(hù)，特別是沒有運(yùn)動(dòng)部件，所以可靠性高，非常適用于額定電流在以下的器件。

（2）強(qiáng)制空氣冷卻

強(qiáng)制對(duì)流風(fēng)冷散熱特點(diǎn)是散熱效率高，其傳熱系數(shù)是自冷式散熱效率的2-5倍。

強(qiáng)制對(duì)流風(fēng)冷散熱分兩部分：翼片散熱片和風(fēng)扇。熱源直接接觸的翅片散熱器，其作用是將熱源發(fā)出的熱量引出，風(fēng)扇用來給散熱器強(qiáng)制對(duì)流冷卻降溫。從而強(qiáng)制空氣冷卻主要與散熱器材料、結(jié)構(gòu)、翼片有關(guān)。

風(fēng)速越大，散熱器熱阻越小，但流動(dòng)阻力越大，因此應(yīng)適當(dāng)提高風(fēng)速來降低熱阻。

風(fēng)速超過一定值之后再提高風(fēng)速對(duì)熱阻的影響就非常小了。散熱器材料質(zhì)量特性對(duì)散熱效率有顯著影響。紫銅導(dǎo)熱系數(shù)相當(dāng)于工業(yè)純鋁的2倍，在相同散熱效率下，紫銅散熱器的體積為鋁質(zhì)散熱器的1/3一1/2。

由于銅的比重大，價(jià)格高，一般較少應(yīng)用。

風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉，安全可靠，技術(shù)成熟，但不能將溫度降至室溫以下。因需配備風(fēng)機(jī)，因而噪聲大，容易吸人灰塵，可靠性相對(duì)降低，有一定維護(hù)量，且風(fēng)扇壽命受時(shí)間限制。

（3）液冷方式

液態(tài)冷卻將導(dǎo)熱系數(shù)較之氣體冷卻可顯著提高。

對(duì)于功率密度大的電力電子裝置而言，液體冷卻是很好的選擇。液體冷卻系統(tǒng)利用循環(huán)泵來保證冷卻液在熱源和冷源之間循環(huán)，以交換熱量。水冷式散熱器水冷式散熱器的散熱效率極高，等于空氣自然冷卻換熱系數(shù)的100-300倍。

以水冷式散熱器代替風(fēng)冷式散熱器，可大大提高器件的容量。

但是，由于普通水的絕緣性較差，水中存在的雜質(zhì)離子會(huì)在高電壓下導(dǎo)致電腐蝕和漏電現(xiàn)象，只有在低電壓，才可以采用普通水冷卻。

為使上述水冷系統(tǒng)進(jìn)人高壓大功率電力電子領(lǐng)域，必須解決冷卻水的純度和長期運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的可靠性及腐蝕兩大問題，且水冷卻方式需要有水循環(huán)與處理設(shè)備，設(shè)備復(fù)雜。

油冷式散熱器由于油的冷卻性能比空氣好，同時(shí)也由于將閥體安裝在油箱中可以免受環(huán)境條件的影響，具有很高的絕緣性和電磁屏蔽效果，所以曾在高壓大功率電力電子裝置中得到相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。

但由于水冷系統(tǒng)不論從冷卻效果還是環(huán)境影響方面均具有明顯的優(yōu)勢，所以近年來油冷系統(tǒng)似乎已漸漸淡出高壓大功率變流器領(lǐng)域。

（4）熱管散熱器

熱管散熱方案設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)熱管是一種能的傳熱元件,它以獨(dú)特的傳熱方式，實(shí)現(xiàn)了超常的傳熱效果。

典型的熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成，將管內(nèi)抽成1.3*(0.1~0.0001)Pa的負(fù)壓后充以適量的工作液體，使緊貼管內(nèi)壁的吸液芯毛細(xì)多孔材料中充滿液體后加以密封。管的一端為蒸發(fā)段(加熱段，另一端為冷凝段(冷卻段)，根據(jù)應(yīng)用需要在兩段中間可布置絕熱段。

當(dāng)熱管的一端受熱時(shí)毛紉芯中的液體蒸發(fā)汽化，蒸汽在微小的壓差下流向另一端放出熱量凝結(jié)成液體,液體再沿多孔材料靠毛細(xì)力的作用流回蒸發(fā)段。

如此循環(huán)，熱量由熱管的一端傳至一另端。

其優(yōu)點(diǎn)是，具有傳熱能力強(qiáng)，是紫銅的10倍,、均溫能力優(yōu)良、熱密度可變、無外加設(shè)備、工作可靠、結(jié)構(gòu)簡單，重量輕、不用維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),熱管傳熱速度且噪音低,使用壽命長，缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴。

熱管散熱器一般適用于大功率、分立元件的場合在一些特殊的生產(chǎn)工況如粉塵比較多的地方煤礦、焦化廠、部分化工廠可以采用熱管散熱器，因?yàn)榭梢宰龅秸麄€(gè)功率變換部分的密閉性。

國內(nèi)的電力電子變換器行業(yè)多年前已采用熱管散熱器。