IGBT功率器件的散热方式

IGBT功率器件散热

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。