IGBT-散热设计方法-散热器

时间：2017-03-13

目录
1. 发生损耗的计算方法....6-2
2. 散热器（冷却体）的选定方法....6-7
3. IGBT 模块的安装方法.6-10

本章对散热设计进行说明。
为了使IGBT 安全工作，必须确保结温（Tj）不**过Tj max。当然，不仅在额定负荷的范围内时需要确保，在**负荷等异常情况下，也必须控制在Tj max 以下。因此，进行热设计时要保证有充分余量。

1 发生损耗的计算方法
1.1 关于损耗
IGBT 模块由IGBT 部和FWD 部构成，它们各自发生的损耗的合计即为IGBT 模块整体的发生损耗。另外，发生损耗的情况可分为稳态时和交换时。如对上述内容进行整理可表述如下。
发生损耗的原因

稳态损耗（Past）
仅晶体管部的损耗（PTr）
开通损耗（Pon）
交换损耗（PswIGBT 模块单位元）
件的总发生损耗（Ptotal）
关断损耗（Poff）
稳态损耗（PF）
仅FWD 部的损耗（PFWD）
交换损耗（反向恢复损耗）（Prr）
无论IGBT 部还是FWD 部的稳态损耗均可通过输出特性计算。同时，交换损耗能通过交换损耗-集电极电流特性计算。根据计算出的发生损耗进行散热设计，保证结温Tj 不**过设计值。
因此，在此使用的通态电压和交换损耗的值，通常使用结温Tj 为设计值（推荐Tj=125℃）时的数据。
这些特性数据均记载在说明书中，请参考。

1.2 使用DC 斩波器时发生损耗的计算方法
使用DC 斩波器时，可以将IGBT 或FWD 中流过的电流认为是连续的矩形波，从而简单地进行近似计算。
图 6-1 即表示近似的DC 斩波器的波形，集电极电流为IC 时的饱和电压、交换损耗分别为VCE（sat）、Eon、Eoff，FWD 正向电流为IF 时的通态电压、反向恢复损耗分别为VF、Eon、Eoff，发生损耗可如下计算：
IGBT 发生损耗（W）=稳态损耗+开通损耗+关断损耗=[t 1/t 2 ×VCE (sat ) ×IC]+ [fc × (Eon +Eoff )]
FWD 发生损耗（W）=稳态损耗+反向恢复损耗

图 6-1 DC 斩波器波形
实际上，直流电源电压和门较电阻值等条件与说明书上记载的内容可能有差异，在这种情况下，可以按照下面的规则进行简略计算。
· 直流电源电压Ed（Vcc）不同时
通态电压：不受Ed（Vcc）影响
交换损耗：与Ed(Vcc)成比例
·门较电阻值不同时
通态电压：不受门较电阻值影响
交换损耗：分别与交换时间成比例，取决于门较电阻值

1.3 正弦波VVVF 变频器应用时发生损耗的计算方法

通过VVVF 变频器等进行PWM 控制时，如图 6-2 所示，由于电流值与动作状态始终在变化，因此发生损耗的详细计算需要运用计算机模拟技术等。但是，由于其计算方法过于复杂，在此介绍一下运用近似式进行简略计算的方法。
1) 前提条件
在进行计算时，以下列内容为前提条件。
·应为正弦波电流输出三相PWM 控制VVVF 变频器
·为通过正弦波、三角波比较的PWM 控制
·输出电流为理想的正弦波
2) 稳态损耗（Psat、PF）的计算方法
IGBT 和FWD 的输出特性如图 6-3 所示，从说明书的数据可以得出近似值。
3) 交换损耗
4) 全发生损耗（总发生损耗）
根据2）和3）项的计算结果，
IGBT 部发生损耗为：PTr = Psat + Pon + Poff，
FWD 部发生损耗为：PFWD = PF + Prr
实际上，直流电源电压与门较电阻等与说明书记载的内容可能有差异，与1.2 项采用同样的思路，可作简略计算。
2 散热器（冷却体）的选定方法
电力用二极管、IGBT、晶体管等功率模块中，电极部和安装基板多数情况下被绝缘，由于在一个散热器上可以安装多个元件使用，所以实际安装时既容易，又可以实现紧凑配线。为了让这些元件能够安全地工作，工作时需要使各元件产生的损耗（热）高效散发，因此选择散热器起了关键性作用。以下阐述选定散热器的基本思路。
2.1 稳态的热方程式
半导体的热传导可以将它变换为电路予以解释。这里考虑仅将IGBT 模块安装到散热器上的情形。此时，就热量而言，可以转换为如图6-6 所示的等效电路。

3 IGBT 模块的安装方法
3.1 安装在散热器上
热阻根据IGBT 模块的安装位置而变化，请注意以下几点：
1 个IGBT 模块安装在散热器上时，如果安装在散热器中心，则热阻变成mix。
在同一个散热器上安装多个IGBT 模块时，请在考虑各IGBT 模块发生的损耗情况的基础上，决定安装的位置。对发生大损耗的IGBT 模块，请给予大面积。
3.2 散热器表面的处
关于安装IGBT 模块的散热器的表面处理，螺钉位置间的平面度控制在100μm 以内，表面粗糙度控制在10μm 以下。散热器表面如有凹陷，会导致接触热阻（Rth（c-f））的增加。
另外，散热器表面的平面度在上述范围以外时，IGBT 模块安装时（夹紧时）会给IGBT 模块内部的芯片与位于金属基板间的绝缘基板增加应力，有可能产生绝缘破坏。

3.3 散热绝缘混合剂的涂敷
为了使接触热阻变小，推荐在散热器与IGBT 模块的安装面之间涂敷散热绝缘混合剂。涂敷散热绝缘混合剂时，在散热器或IGBT 模块的金属基板面上请如图6-11 涂敷。随着IGBT 模块与散热器通过螺钉夹紧，散热绝缘混合剂就散开，使IGBT 模块与散热器均一接触。
推荐散热绝缘混合剂的一个实例用表6-1 表示。
表 6-1 散热绝缘混合剂的实例
型号名称制造商
G746 Shin-Etsu Chemical
SC102 Dow Corning Toray Silicone
YG6260 GE Toshiba Silicones
散热绝缘混合剂约0.5g
(1) 2 点安装型模块散热绝缘混合剂约0.5g
(2) 4 点安装型模块
图 6-11 散热绝缘混合剂的涂敷方法

3.4 夹紧方法
IGBT 模块安装时，螺钉的夹紧方法如图6-12 所示。另外，螺钉请以推荐的夹紧力矩范围予以夹紧。
推荐的力矩在说明书中有记载，请另行参考。如果该力矩不足，可能使接触热阻变大，或在动作中产生松动。
反之，如果力矩过大，可能引起外壳破坏。
3.5 IGBT 模块的安装方向
将IGBT 模块安装在由挤压模制作的散热器上时，如图6-12 所示，建议IGBT 模块的安装与散热器挤压方向平行。这是为了减小散热器变形的影响。
挤压方向
散热器
螺钉位置模块
挤压方向
散热器
螺钉位置模块

3.6 温度的验证
选定散热器、决定了IGBT 模块的安装位置后，请测定各部的温度，确认IGBT 模块的结温（Tj）未**出额定值或设计值。

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