IGBT功率器件功耗与散热

IGBT功率器件功耗与散热IGBT等功率电子器件在工作中，由于自身的功率损耗，将引起IGBT温度升高。引起功率器件发热的原因主要有两个，一是功率器件导通时，产生的通态损耗。二是功率器件的开通与关断过程中产生的开关损耗。IGBT功耗主要由导通损耗和开关损耗构成，需要合理的IGBT散热装置将产生的热量散发出去，保证IGBT变流器设备的可靠运行。(1)功率器件导通时，由于自身的导通压降并不为零，于是将产生通态损耗。通态损耗主要与功率器件的导通压降、承载电流以及导通占空比有关。设功率器件的导通压降为Uon，则当器件通过占空比为D，电流幅值为IT的矩形脉冲时，平均通态损耗为(2)功率器件在开通与关断过程中，作用在其上的电压、电流波形可近似表示为图1所示形式。功率器件在开通时不能瞬间完全导通，逐渐下降的电压与逐渐上升的电流将产生开通损耗Pon。功率器件在关断时不能瞬间完全截止，逐渐下降的电流与逐渐上升的电压将产生关断损耗off。开通损耗Pon和关断损耗Poff的总和即是功率器件的开关损耗Ps。开关损耗主要与功率器件的承载电压、电流以及开关频率有关。对于电阻性负载，依据图1(a)所示的波形，设功率器件截止时承载的电压为UT，开通时的电流为IT，开关的频率为fs，周期为Ts，则在一个开关周期内的平均开关损耗为对于电感性负载，在电压、电流相同的情况下，功率器件的平均开关损耗要大干电阻性负载，一般认为其在一个开关周期内平均开关损耗为开关器件的平均通态损耗Pc与平均开关损耗Ps之和就是开关器件总的功率损耗，它们将转化为热量而引起功率器件发热。各种功率器件的核心均是半导体PN结，而PN结的性能与温度密切相关，为此，功率器件均规定了正常工作的最高允许结温Tjm。为了保证器件正常工作，器件工作时的结温应始终低于最高允许结温Tjm。但工程上能够测量到的结温实际上是功率器件外壳的平均温度，由于功率器件内部温度分布是不均匀的，可能会出现局部高于最高允许结温的过热点而使器件损坏。为此，在实际使用中，要降额使用器件的最高允许结温，且设备的可靠性要求越高，器件最高允许结温的降额的幅度就越大。如高可靠性商业设备中，功率器件的最高允许结温取130-150℃，军用设备取120-135℃，超高可靠性设备则取105℃。功率器件的结温与器件自身的功率损耗、器件到外界环境的传热条件及环境的温度有关。由于功率器件的体积较小，其自身向大气环境的传热能力远低于自身功率损耗所产生的热量，为此，通常需在功率器件上加装散热器，以辅助功率器件将自身的热量散发到外界环境中。加装散热器主要目的是实现热传输的平衡，使器件的发热率与散热率相等，器件的结温保持稳定。热传输与电传输有极大的相似性，遵从热路欧姆定律，即式中，Tj，功率器件的结温；TA，外界环境的温度，通常将外界环境的温度取值为25℃；P，器件的功率损耗，即热流(W)；Rθ热阻(℃/W)。上式表明，当器件的功率损耗P一定时，器件与外界环境的温度差Tj-TA同热阻Rθ成正比，即热阻越大，器件与外界环境的温度差就会越大，也即功率器件的结温就会越高。功率器件的参数表通常给出器件的PN结到外壳的热阻Rθjc和PN结到大气环境的热阻Rθja两个参数，如功率MOSFET管IRF540参数表给出的PN结到外壳的热阻Rθjc=1℃/W，PN结到大气环境的热阻Rθja=80℃/W。这表明当IRF540不加散热器时，仅凭器件自身散热，其与大气环境的热阻为Rθja=80℃/W，当器件的功率损耗为1W时，器件与外界环境的温差就将达到80℃。然而，如果能通过加装理想的散热器，使外壳与大气环境的热阻为0，则当器件的功率损耗为1W时，器件与外界环境的温差就仅为1℃。IGBT功率器件功耗与散热(2)2散热器功率器件的正常运行在很大程度上依赖于散热。常用的散热方式有自冷、风冷、水冷和沸腾冷却四种。自冷是利用空气的自然对流及辐射作用将热量带走的冷却方式，其结构简单，无机械动作，无需维护，也没有噪声；但散热效率比较低。风冷是采用电风扇强制通风、加强对流的散热方式，散热效率一般是自冷的2-4倍；但风扇会产生噪声，同时也需要消耗电源的电能。水冷是利用冷却介质的循环进行冷却的方式，冷却介质除水之外，还可采用变压器油等，散热效率一般是自冷的150倍以上；但设备复杂，成本高。沸腾冷却是将冷却介质在密闭容器中加压，通过介质物相的变化进行冷却的方式，其冷却效率极高，装置体积较小；但造价昂贵。在一般的功率电路中，自冷是使用最为普遍的冷却方式，通过连接在功率器件外壳上的散热片，加大散热面积，实现功率器件发热率与散热率的热平衡，保证功率器件的结温在允许的范围内，对于一些功率相对较小的器件，特别是一些集成芯片，可以采用印刷线路板上的敷铜板进行散热，即在走线时，将器件中用于散热的引脚所连接的敷铜线布得很宽，使该引脚连线附近处连接有足够的敷铜面积。当器件工作时，器件中的热量可通过引脚传递到附近的敷铜线上，并由敷铜线进行散热。然而，这种方式的散热能力毕竟是比较小的，因此，大部分的功率器件仍需采用专用的散热片进行散热。常用的散热片形状如图2所示，主要有平板型、插指型和型材型等几种。采用散热片散热时，功率器件的热阻为式中，Rθjc，功率器件PN结到外壳的热阻；Rθcs，功率器件外壳与散热片接触面处的热阻；Rθsa，散热片到大气环境的热阻。功率器件PN结到外壳的热阻Rθjc一般均比较小，且耗散功率越大的器件Rθjc越小。通常耗散功率为几十瓦的器件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则更小。功率器件外壳与散热片的接触面上需要涂抹导热硅脂，利用导热硅脂去除器件与散热片表面之间因存在细微不平而出现的空气缝隙，以便有效地利用整个表面区域进行热传导。由于各种功率器件外壳的大小不同，因此不同的功率器件与散热片接触面处的热阻Rθcs也不同，但一般情况下热阻Rθcs很小，通常在0.2-1℃／W之间。功率器件的外壳通常是与其集电扳（漏极）连接在一起的，有时为了实现功率器件与散热片的绝缘，常在功率器件外壳与散热片之间垫一层薄云母片。垫入云母片后会使热阻Rθcs稍有增加。散热片到大气环境的热阻Rθsa与散热片的表面积、形状，颜色、安放方式等均有关。散热片表面通常进行发黑处理或钝化，借以提高辐射系数，一般黑色散热片比光亮散热片可减少10%-15%的热阻。散热片应竖直向上安放，以利用“烟囱效应”便于散热，通常垂直安放的散热片比水平安放的散热片热阻可降低15%-20%。由于散热片的表面积远大于功率器件外壳，因此其到大气环境的热阻远小于功率器件外壳直接到大气环境的热阻。各种散热片到大气环境的热阻Rθsa将由生产厂商提供，可根据对于热阻参数Rθsa的要求选择适当的散热片。由上分析可见，式中的热阻Rθ虽然由三项组成，但三项热阻之和依然远小于功率器件不加散热片时PN结直接到大气环境的热阻Rθja。因此，对功率器件加装适当的散热片，可以有效地提高散热能力，使器件的发热量与散热量相平衡，将功率器件的结温稳定在最高允许结温之下。功率器件的散热器应根据功率器件工作时的功率损耗、PN结到外壳的热阻等数据进行设计。下面举例说明此设计过程。例某IGBT管以PWM方式控制电阻性负载，脉冲频率fs=10KHz，最大占空比D=0.8，电路的电源电压为300V，负载电流为20A，IGBT管开通时其集电极-发射极间电压降为1V．开通时间和关断时间分别为1uS和1.5uS。IGBT管的PN结到外壳热阻Rθjc=0.8℃/W，外壳到散热片热阻Rθcs=0.25℃/W。计算当TA=25℃时，使IGBT管的结温不超过125℃的散热片热阻RθSA。解(1)计算IGBT管的功率损耗P(2)计算散热片热阻RθSA因此，选择热阻小于1.439℃/W的散热片就可以保证IGBT管的结温不超过125℃。功率器件的散热是功率电子电路必须要解决的问题，几乎所有的功率器件均需要配有相应的散热装置才可以工作。应根据功率器件的功耗以及热阻参数，选择相应的散热装置进行散热，保证功率器件的正常工作。