IGBT-散熱設(shè)計(jì)方法

目 錄
1. 發(fā)生損耗的計(jì)算方法....6-2
2. 散熱器（冷卻體）的選定方法....6-7
3. IGBT 模塊的安裝方法.6-10

本章對(duì)散熱設(shè)計(jì)進(jìn)行說(shuō)明。
為了使IGBT 安全工作，必須確保結(jié)溫（Tj）不超過(guò)Tj max。當(dāng)然，不僅在額定負(fù)荷的范圍內(nèi)時(shí)需要確保，在超負(fù)荷等異常情況下，也必須控制在Tj max 以下。因此，進(jìn)行熱設(shè)計(jì)時(shí)要保證有充分余量。

1 發(fā)生損耗的計(jì)算方法
1.1 關(guān)于損耗
IGBT 模塊由IGBT 部和FWD 部構(gòu)成，它們各自發(fā)生的損耗的合計(jì)即為IGBT 模塊整體的發(fā)生損耗。另外，發(fā)生損耗的情況可分為穩(wěn)態(tài)時(shí)和交換時(shí)。如對(duì)上述內(nèi)容進(jìn)行整理可表述如下。
發(fā)生損耗的原因

穩(wěn)態(tài)損耗（Past）
僅晶體管部的損耗（PTr）
開(kāi)通損耗（Pon）
交換損耗（PswIGBT 模塊單位元）
件的總發(fā)生損耗（Ptotal）
關(guān)斷損耗（Poff）
穩(wěn)態(tài)損耗（PF）
僅FWD 部的損耗（PFWD）
交換損耗（反向恢復(fù)損耗）（Prr）
無(wú)論IGBT 部還是FWD 部的穩(wěn)態(tài)損耗均可通過(guò)輸出特性計(jì)算。同時(shí)，交換損耗能通過(guò)交換損耗-集電極電流特性計(jì)算。根據(jù)計(jì)算出的發(fā)生損耗進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)，保證結(jié)溫Tj 不超過(guò)設(shè)計(jì)值。
因此，在此使用的通態(tài)電壓和交換損耗的值，通常使用結(jié)溫Tj 為設(shè)計(jì)值（推薦Tj=125℃）時(shí)的數(shù)據(jù)。
這些特性數(shù)據(jù)均記載在說(shuō)明書中，請(qǐng)參考。

1.2 使用DC 斬波器時(shí)發(fā)生損耗的計(jì)算方法
使用DC 斬波器時(shí)，可以將IGBT 或FWD 中流過(guò)的電流認(rèn)為是連續(xù)的矩形波，從而簡(jiǎn)單地進(jìn)行近似計(jì)算。
圖 6-1 即表示近似的DC 斬波器的波形，集電極電流為IC 時(shí)的飽和電壓、交換損耗分別為VCE（sat）、Eon、Eoff，F(xiàn)WD 正向電流為IF 時(shí)的通態(tài)電壓、反向恢復(fù)損耗分別為VF、Eon、Eoff，發(fā)生損耗可如下計(jì)算：
IGBT 發(fā)生損耗（W）=穩(wěn)態(tài)損耗+開(kāi)通損耗+關(guān)斷損耗=[t 1/t 2 ×VCE (sat ) ×IC]+ [fc × (Eon +Eoff )]
FWD 發(fā)生損耗（W）=穩(wěn)態(tài)損耗+反向恢復(fù)損耗

圖 6-1 DC 斬波器波形
實(shí)際上，直流電源電壓和門極電阻值等條件與說(shuō)明書上記載的內(nèi)容可能有差異，在這種情況下，可以按照下面的規(guī)則進(jìn)行簡(jiǎn)略計(jì)算。
· 直流電源電壓Ed（Vcc）不同時(shí)
通態(tài)電壓：不受Ed（Vcc）影響
交換損耗：與Ed(Vcc)成比例
·門極電阻值不同時(shí)
通態(tài)電壓：不受門極電阻值影響
交換損耗：分別與交換時(shí)間成比例，取決于門極電阻值

 

1.3 正弦波VVVF 變頻器應(yīng)用時(shí)發(fā)生損耗的計(jì)算方法

通過(guò)VVVF 變頻器等進(jìn)行PWM 控制時(shí)，如圖 6-2 所示，由于電流值與動(dòng)作狀態(tài)始終在變化，因此發(fā)生損耗的詳細(xì)計(jì)算需要運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)等。但是，由于其計(jì)算方法過(guò)于復(fù)雜，在此介紹一下運(yùn)用近似式進(jìn)行簡(jiǎn)略計(jì)算的方法。
1) 前提條件
在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，以下列內(nèi)容為前提條件。
·應(yīng)為正弦波電流輸出三相PWM 控制VVVF 變頻器
·為通過(guò)正弦波、三角波比較的PWM 控制
·輸出電流為理想的正弦波
2) 穩(wěn)態(tài)損耗（Psat、PF）的計(jì)算方法
IGBT 和FWD 的輸出特性如圖 6-3 所示，從說(shuō)明書的數(shù)據(jù)可以得出近似值。
3) 交換損耗
4) 全發(fā)生損耗（總發(fā)生損耗）
根據(jù)2）和3）項(xiàng)的計(jì)算結(jié)果，
IGBT 部發(fā)生損耗為：PTr = Psat + Pon + Poff，
FWD 部發(fā)生損耗為：PFWD = PF + Prr
實(shí)際上，直流電源電壓與門極電阻等與說(shuō)明書記載的內(nèi)容可能有差異，與1.2 項(xiàng)采用同樣的思路，可作簡(jiǎn)略計(jì)算。
2 散熱器（冷卻體）的選定方法
電力用二極管、IGBT、晶體管等功率模塊中，電極部和安裝基板多數(shù)情況下被絕緣，由于在一個(gè)散熱器上可以安裝多個(gè)元件使用，所以實(shí)際安裝時(shí)既容易，又可以實(shí)現(xiàn)緊湊配線。為了讓這些元件能夠安全地工作，工作時(shí)需要使各元件產(chǎn)生的損耗（熱）高效散發(fā)，因此選擇散熱器起了關(guān)鍵性作用。以下闡述選定散熱器的基本思路。
2.1 穩(wěn)態(tài)的熱方程式
半導(dǎo)體的熱傳導(dǎo)可以將它變換為電路予以解釋。這里考慮僅將IGBT 模塊安裝到散熱器上的情形。此時(shí)，就熱量而言，可以轉(zhuǎn)換為如圖6-6 所示的等效電路。

3 IGBT 模塊的安裝方法
3.1 安裝在散熱器上
熱阻根據(jù)IGBT 模塊的安裝位置而變化，請(qǐng)注意以下幾點(diǎn)：
1 個(gè)IGBT 模塊安裝在散熱器上時(shí)，如果安裝在散熱器中心，則熱阻變成最小。
 在同一個(gè)散熱器上安裝多個(gè)IGBT 模塊時(shí)，請(qǐng)?jiān)诳紤]各IGBT 模塊發(fā)生的損耗情況的基礎(chǔ)上，決定安裝的位置。對(duì)發(fā)生大損耗的IGBT 模塊，請(qǐng)給予大面積。
3.2 散熱器表面的處
關(guān)于安裝IGBT 模塊的散熱器的表面處理，螺釘位置間的平面度控制在100μm 以內(nèi)，表面粗糙度控制在10μm 以下。散熱器表面如有凹陷，會(huì)導(dǎo)致接觸熱阻（Rth（c-f））的增加。
另外，散熱器表面的平面度在上述范圍以外時(shí)，IGBT 模塊安裝時(shí)（夾緊時(shí)）會(huì)給IGBT 模塊內(nèi)部的芯片與位于金屬基板間的絕緣基板增加應(yīng)力，有可能產(chǎn)生絕緣破壞。


3.3 散熱絕緣混合劑的涂敷
為了使接觸熱阻變小，推薦在散熱器與IGBT 模塊的安裝面之間涂敷散熱絕緣混合劑。涂敷散熱絕緣混合劑時(shí)，在散熱器或IGBT 模塊的金屬基板面上請(qǐng)如圖6-11 涂敷。隨著IGBT 模塊與散熱器通過(guò)螺釘夾緊，散熱絕緣混合劑就散開(kāi)，使IGBT 模塊與散熱器均一接觸。
推薦散熱絕緣混合劑的一個(gè)實(shí)例用表6-1 表示。
表 6-1 散熱絕緣混合劑的實(shí)例
型號(hào)名稱 制造商
G746 Shin-Etsu Chemical
SC102 Dow Corning Toray Silicone
YG6260 GE Toshiba Silicones
散熱絕緣混合劑約0.5g
(1) 2 點(diǎn)安裝型模塊散熱絕緣混合劑約0.5g
(2) 4 點(diǎn)安裝型模塊
圖 6-11 散熱絕緣混合劑的涂敷方法

3.4 夾緊方法
IGBT 模塊安裝時(shí)，螺釘?shù)膴A緊方法如圖6-12 所示。另外，螺釘請(qǐng)以推薦的夾緊力矩范圍予以?shī)A緊。
推薦的力矩在說(shuō)明書中有記載，請(qǐng)另行參考。如果該力矩不足，可能使接觸熱阻變大，或在動(dòng)作中產(chǎn)生松動(dòng)。
反之，如果力矩過(guò)大，可能引起外殼破壞。
3.5 IGBT 模塊的安裝方向
將IGBT 模塊安裝在由擠壓模制作的散熱器上時(shí)，如圖6-12 所示，建議IGBT 模塊的安裝與散熱器擠壓方向平行。這是為了減小散熱器變形的影響。
擠壓方向
散熱器
螺釘位置模塊
擠壓方向
散熱器
螺釘位置模塊

3.6 溫度的驗(yàn)證
選定散熱器、決定了IGBT 模塊的安裝位置后，請(qǐng)測(cè)定各部的溫度，確認(rèn)IGBT 模塊的結(jié)溫（Tj）未超出額定值或設(shè)計(jì)值。
另外，圖6-13 表示了外殼溫度（Tc）的正確測(cè)定方法的實(shí)例。

 熱設(shè)計(jì)資料下載：  IGBT-散熱設(shè)計(jì)方法.pdf

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