IGBT热管理解决方案

 

      自 20 世纪 80 年代开发以来，IGBT 已成为风能、太阳能等高压可再生能源应用以及消费和工业用途的电动汽车和电动机的关键。

 

 

功率半导体、功率器件、IGBT三者有什么关系？

 

功率半导体是电力电子设备实现电力转换和电路控制的核心元器件。功率半导体又称作电力半导体，主要用来对电力进行转换，对电路进行控制，用于改变电压或电流的波形、幅值、相位、频率等参数。功率半导体本质上是一种电力开关，能够在低阻状态下流过从几安培到几千安培的电流，能够在毫秒甚至微秒时间内对高达数千伏高电压、数千安培的大电流进行控制。功率半导体器件可用于整流（交流转换直流）、逆变（直流转换交流）、转换（直流转直流）、变频（改变交流电频率）、功率控制等。电力设备采用多个功率半导体器件按照一定的拓扑结构进行组合，就能实现负载电力转换需求。功率半导体可以分为功率分立器件、功率模块和功率IC。

 

 

图1.功率半导体的主要分类（来源：招商银行研究院）

 

 

 

功率器件按器件结构可分为功率二极管、晶闸管、晶体管等。晶体管是电子电路的核心元件，主要包括MOSFET和IGBT， 具有高频率、低损耗特点。

 

IGBT 耐压较高，更适用于高压中低频领域。MOSFET功率器件是单极器件，导通电阻会随着电压增加而急速上升，因而难以实现耐高压、大电流。1982年，通用电气推出了结合MOSFET和BJT结构的复合型器件IGBT。IGBT兼具MOSFET 输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关速度快和BJT通态电流大、导通压降低、损耗小等优点，成为功率半导体发展方向之一。IGBT 器件结构不断升级，器件性能持续提升。IGBT器件经历七次迭代升级，在降低损耗和小型化等方面性能不断优化。IGBT器件从“穿通、非穿通、场截止”和“平面栅、沟槽栅”两个方面不断演变，在芯片面积、工艺线宽、通态饱和压降、关断时间、功率损耗、断态电压等方面不断优化，提升器件耐压、降低损耗和导通电阻。
 

图2.IGBT器件性能对比（资料来源：Yole、招商银行研究院）

 

IGBT功率半导体上游主要包括设计、制造到封装测试，包括晶圆、外延、制造、切割、封装等工艺环节。功率半导体中游主要是电源转换器或电源模块，下游应用领域涉新能源相关行业及所有电子行业领域。

 

IGBT 在新能源汽车、光伏、风电、储能、充电桩等新能源相关领域都有广泛应用。随着新能源汽车渗透率提升和光伏风电储能市场快速崛起，IGBT市场有望保持快速增长。

 

如今，IGBT 几乎存在于所有电子产品中：医院的 X 光机、CAT 扫描仪和 MRI 装置等医疗诊断机器；便携式除颤器；微波炉和电磁炉；空调和冰箱……所有风能和太阳能装置都利用基于 IGBT 的技术将产生的电能转换为适合消费和工业应用的形式。它在提高电能使用效率和减少汽油消耗方面发挥了重要作用，因此在过去 40 年的全球减少污染的努力中发挥了关键作用。

 

IGBT热管理解决方案

当下的高功率器件在工作时会产生大量热量，如果不及时有效地散热，可能会导致器件的性能下降甚至损坏。因此，功率器件的热管理至关重要。热管理主要包括热量的传导、对流和辐射，以保证器件在安全温度范围内工作。

图4.功率器件封装结构示意图（来源：洞见热管理绘制）

1、IGBT在结上发生功率损耗;

2、结上的温度传导到IGBT模块壳上;

3、IGBT模块上的热传导散热器上;

4、散热器上的热传导到空气中。

如果IGBT模块功率一定时，IGBT结壳之间的热阻一定，IGBT壳与散热器的热阻与散热器材料和接触程度两个方面有关，但此处热阻较小，散热器的材料及接触程度的改变对整个散热过程影响较小。

换言之就是主要影响散热的是两个方面，一是总的损耗，二是散热器热阻。

但是往往鉴于输出功率及实际工况的限制，IGBT的总功率损耗是不可以改变的。

所以散热的问题主要就是怎么改变散热器到空气或其他介质之间热阻的问题。

 

功率器件的耗散功率所产生的温升需由散热器来降低，通过散热器增加功率器件的导热和辐射面积、扩张热流以及缓冲导热过渡过程，直接传导或借助于导热介质将热量传递到冷却介质中，如空气、水或水的混合液等。

目前常用到的冷却方式为强制空气冷却、循环水冷却、热管散热器冷却等。

（1）空气自然散热

空气自然散热是指不使用任何外部辅助能量，实现局部发热器件向周围环境散热达到温度控制的目的。

通常包含导热、对流和辐射，适用于对温度控制要求不高、器件发热的热流密度不大的低功耗器件和部件，以及密封或密集组装的器件不宜(或不需要)采用其他冷却技术的情况。这种散热器效率很低，不适合用于大功率器件中。

由于它的结构简单、无噪音、免维护，特别是没有运动部件，所以可靠性高，非常适用于额定电流在以下的器件。

（2）强制空气冷却

强制对流风冷散热特点是散热效率高，其传热系数是自冷式散热效率的2-5倍。

强制对流风冷散热分两部分：翼片散热片和风扇。热源直接接触的翅片散热器，其作用是将热源发出的热量引出，风扇用来给散热器强制对流冷却降温。从而强制空气冷却主要与散热器材料、结构、翼片有关。

风速越大，散热器热阻越小，但流动阻力越大，因此应适当提高风速来降低热阻。

风速超过一定值之后再提高风速对热阻的影响就非常小了。散热器材料质量特性对散热效率有显著影响。紫铜导热系数相当于工业纯铝的2倍，在相同散热效率下，紫铜散热器的体积为铝质散热器的1/3一1/2。

由于铜的比重大，价格高，一般较少应用。

风冷散热结构简单，价格低廉，安全可靠，技术成熟，但不能将温度降至室温以下。因需配备风机，因而噪声大，容易吸人灰尘，可靠性相对降低，有一定维护量，且风扇寿命受时间限制。

（3）液冷方式

液态冷却将导热系数较之气体冷却可显著提高。

对于功率密度大的电力电子装置而言，液体冷却是很好的选择。液体冷却系统利用循环泵来保证冷却液在热源和冷源之间循环，以交换热量。水冷式散热器水冷式散热器的散热效率极高，等于空气自然冷却换热系数的100-300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。

但是，由于普通水的绝缘性较差，水中存在的杂质离子会在高电压下导致电腐蚀和漏电现象，只有在低电压，才可以采用普通水冷却。

为使上述水冷系统进人高压大功率电力电子领域，必须解决冷却水的纯度和长期运行时系统的可靠性及腐蚀两大问题，且水冷却方式需要有水循环与处理设备，设备复杂。

油冷式散热器由于油的冷却性能比空气好，同时也由于将阀体安装在油箱中可以免受环境条件的影响，具有很高的绝缘性和电磁屏蔽效果，所以曾在高压大功率电力电子装置中得到相当广泛的应用。

但由于水冷系统不论从冷却效果还是环境影响方面均具有明显的优势，所以近年来油冷系统似乎已渐渐淡出高压大功率变流器领域。

（4）热管散热器

热管散热方案设计及实现热管是一种能的传热元件,它以独特的传热方式，实现了超常的传热效果。

典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组成，将管内抽成1.3*(0.1~0.0001)Pa的负压后充以适量的工作液体，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。管的一端为蒸发段(加热段，另一端为冷凝段(冷却段)，根据应用需要在两段中间可布置绝热段。

当热管的一端受热时毛纫芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体,液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。

如此循环，热量由热管的一端传至一另端。

其优点是，具有传热能力强，是紫铜的10倍,、均温能力优良、热密度可变、无外加设备、工作可靠、结构简单，重量轻、不用维护等优点,热管传热速度且噪音低,使用寿命长，缺点是价格昂贵。

热管散热器一般适用于大功率、分立元件的场合在一些特殊的生产工况如粉尘比较多的地方煤矿、焦化厂、部分化工厂可以采用热管散热器，因为可以做到整个功率变换部分的密闭性。

国内的电力电子变换器行业多年前已采用热管散热器。