IGBT功率器件散热器详解.doc

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1、IGBT功率器件散热器详解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

2、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

3、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)x4.18x103J／h.m2.K，但是它的结构简单、噪音小、维

4、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。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

5、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)x4.18x103J／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330x4.18x103J／h.m2.K，相当于工业纯铝160x4.18x103J／h.m2.K的2倍，在相同散热效率下，紫铜散热器的体积为

6、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

7、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。3．水冷式散热器（1）水冷式散热器的型式水冷式散热器的散热效率极高，其对流换热系数160x4.18x103J／h.m2.K，等于空气自然冷却换热系数的150-300倍。以水冷式散热器代替风冷式散热器，可大大提高器件的容量。这种散热器一般适用于电流容量在500A以上的器件，少数也应用于200A器件。冷却形式的选择主要决定于装置容量而不是器件的容量。由于水的绝缘性较差，而且会在高电压下出现电腐蚀和漏电现象，因此对高压装置来说，其冷却水必须用离子交换树脂来进行处理，此时必须使用复杂的循环水冷

8、却系统。只有在低电压下，例如装置电压低