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IGBT模块散热器相关设计

1.IGBT的散热设计规则
   众所周知,大多数电子设备的可靠性都受温度影响,通常使用设计规则来比较故障率的数字。根据设计准则,其中一条设计规则显示组件在65℃以上的环境下工作时,温度每上升10℃,故障率便增加一倍。这个常用的规则是基于以下的假定:用作比较的产品是用类似的设计和制造原理制作的,而组件是在相近的条件下工作(例如,在指定的外围环境下:、芯片的温度也相同)。实际上,不同的设计条件会对功率模块的整体性能及可靠性造成影响。
  根据另一个设计规则,如果组件是在其额定最高结温(Tjmax)的70%~80%下工作,将享有很高的可靠性。对半导体来说,Tjmax通常保证为+150℃或+175℃。根据这些数字,半导体器件的结温应该分别维持在低于+120℃和+135℃的水平。按照这个设计规则保持结温处于较低水平,将可大大地提高整个系统的可靠性。
  IGBT制造商通过内部测试为IGBT制定了热指针或降额曲线,这些测试通常是用风洞系统协助进行,以确定在不同对流条件下IGBT的热性能。因IGBT制造商都是按照自己的内部标准进行测试。而这些标准往往受到现有的测试设备、测试费用以及许多其他因素所影响。这些变量意味着IGBT的降额曲线会造成误导,设计人员应当考虑到这些内部测试的结果对设计带来的影响。
  1)降额曲线。风洞有多种不同的形状和尺寸,加上IGBT可以放置在风洞的不同位置,这些都会影响测试结果。究竟是风洞强迫空气流过IGBT,还是空气可自由流过IGBT的四周,若气流系统庞大,足以让气流在IGBT的四周流动,这与漏斗式风洞不同。漏斗式风洞强迫空气直接吹到IGBT上面,由于大多数的应用并不是采用漏斗式或强迫式气流,因此非漏斗式测试程序将可得到最稳健的结果。
  气流的测量也是很重要的,气流应是利用热线风速表直接测量IGBT前的气流,以保证流量的准确度。利用气流系统的层流,是比较保守稳健的方法,会获得较佳的测试结果。降额曲线是根据在最坏的方向进行,确保在任何方向下IGBT工作都不受影响。
  在测试过程中温度稳定的时间越长,测量的结果越准确,基于这个方法,测馕胜蹦阁90保证温度的稳定性,虽然实际测试的时间会长一些,而准确性是预备热降额曲线最重要的一环。为了确保对系统运行及可靠性起着关键作用的组件获得最佳性能,在特殊应用的系统中要对IGBT的测试进行个别比较。
  2)发热图像。确定热性能的另一个方法,就是利用发热图像,即是使用红外摄影机来测量温度。这对于确定正确温度非常有效,但是,设计人员必须要深入研究有关IGBT的方向、气流的类型、稳定时间有多长等。比较热数据的最佳方法,是将不同的IGBT并排起来作红外扫描(包括不同方向和测试板)。
  在比较IGBT的可靠性指标时,首先要明了这些指标是在什么假定和情况下得到的。可靠性与热性能及工作温度的关系十分密切。工作温度每上升10℃,故障率就增大一倍。在典型的系统中,MTBF(无故障平均时间)的计算是非常有意义的,但由于受到机柜内其他组件所产生热量的影响,IGBT附近空气的温度一般在55℃左右。这就需要在设计中选用的IGBT必须能够在温度上升时提供最高效率;需要最少的散热;在底板(基板)中温度上升的幅度最少。

  2.IGBT的散热设计
  由于IGBT是大功率半导体器件,损耗功率使其发热较多(尤其是Rg选择偏大时),加之IGBT的结温不能超过125℃,不宜长期工作在较高温度下,因此要采取恰当的散热措施进行过热保护。散热一般是采用散热器(包括普通散热器与热管散热器),并可进行强迫风冷。
  IGBT模块有既定的可容许最大结温(Tj),需要进行散热设计,使其控制在这个温度以下。进行散热设计时,吾先要计算出元件发生的损耗值,以这个损耗值为基础,选择能够控在容许温度以下的散热片。散热设计不充分将可能导致在实际工作情况下超出元器件的容许温度而损坏元器件。
  一般情况下流过IGBT的电流较大,开关频率较高,导致IGBT器件的损耗也比较大,如果热量不能及时散掉,使得器件的结温Tj超过Tjmax,则IGBT可能损坏。IGBT过热的原因可能是驱动波形不好或电流过大或开关频率太高,也可能由于散热状况不良。IGBT过热保护是利用温度传感器检测IGBT的散热器温度,当超过允许温度时使主电路停止工作。
  在进行热设计时,不仅要保证其在正常工作时能够充分散热,而且还要保证其在发生短时过载时,为了使IGBT安全工作,必须确保结温Tj不超过Tjmax。当然,不仅在额定负荷的范围内时需要确保,在超负荷等异常情况下,也必须控制在Tjmax以下。因此,进行热设计时要保证有充分余量。在电路热设计中由于受设备的体积和重量等的限制以及性价比的考虑,散热系统也不可能无限制地扩大。对此可在靠近IGBT处加装一温度检测元件,实时检测IGBT的工作温度。当检测的温度超过温度设定值时,由控制单元切断IGBT的输入,保护IGBT的安全。
  由于IGBT自身有一定的功耗,导致IGBT本身发热。在一定外壳散热条件下,IGBT存在一定的温升(即壳温与环境温度的差异),而IGBT外壳散热表面积的大小直接影响温升。对于温度较高的地方须将IGBT降额使用以减小IGBT的功耗,从而减小温升,保证外壳不超过极限值。
  IGBT在运行时由于内部功率消耗都将产生一些热量,在每一应用中都有必要限制这种“自身发热”,使IGBT外壳温度不超过指定的最大值。绝大多数IGBT生产商都以产品的功率密度作为水准,衡量产品的有效性。了解功率密度定义的条件是非常重要的。如果不能在规定的最大的环境温度范围内使用IGBT,就有可能达不到参数中的最大输出功率。IGBT可用的平均输出功率就是可用的功率密度,IGBT的功率密度取决于下列因素:
  1)要求的输出功率。要求的输出功率是应用需要的最大平均功率。
  2)热阻抗。热阻抗的定义是功率消耗产生的温升,热阻抗通常用℃/W表示。
  3)外壳最高工作温度。所有IGBT都规定了外壳最高工作温度。该温度是指IGBT内部的元件工作时所能承受的最高温度,为保持IGBT的可靠性,应工作在最高温度以下。
  4)工作环境温度。指在IGBT工作时周围环境的最差的环境温度。
  IGBT件在工作时,若发热量太大,且又来不及向周围媒质消散,IGBT就会因超过其正常工作的保证温度而失效。因此,选配合适的散热器,是元件可靠工作的重要条件之一。在IGBT的热设计中所需的主要参数有下面几个。
  1) IGBT的工作结温Tj。即元件允许的最高工作温度极限,本参数由制造厂提供,或产品标准强制给出要求。
  2) IGBT的损耗功率PZ。元件在工作时自身产生的平均稳态功率消耗,定义为平均有效值输出电流与平均有效值电压降的乘积。
  3) IGBT的耗散功率Q。特定散热结构的散热能力。
  4) IGBT的热阻R。热量在媒质之间传递时,单位功耗所产生的温升。
  IGBT的散热设计取决于IGBT所允许的最高结温(Tj),在该温度下,首先要计算出器件产生的损耗,按该损耗使结温升至允许值以下来选择散热片。在散热设计不充分的场合,实际运行在中等水平时,也有可能超过功率器件允许温度而导致器件损坏。
  为了选出最佳的散热器,上述各参数需要相互配合。为了使管壳、散热器的热阻接近参数表给出的数值,安装中应按功率模块的规定值进行,安装力矩过大,往往损坏管芯,安装力矩过小,散热性能较差。配置散热器的目的是必须保证它能将元件的热损耗有效地传导至周围环境,并使其热源(结点)的温度不超过Tj。设环境温度为Ta。用公式表示为

                   P<Q=(Tj—Ta)/R                             (1)

  式中,P为功率器件的损耗功率,功率器件在工作时自身产生的平均稳态功率消耗,定义为平均有效值输出电流与平均有效值电压降的乘积。Q为耗散功率,特定散热结构的散热能力。21为元件工作结温,即元件允许的最高工作温度极限。本参数由制造厂提供,或产品标准强制给出要求。Ta为环境温度;R为热阻,热量在媒质之间传递时,单位功耗所产生的温升。

                         R=△T/Q                                     (2)

  而热阻尺又主要由三部分组成:

                        R=Rjc+Rcs+Rsa                            (3)

  式中,Rjc为结点至管壳的热阻;Rjc与IGBT的工艺水平和结构有很大关系,由制造商给出。Rcs为管壳至散热器的热阻;Rcs与管壳和散热器之间的填隙介质(通常为空气)、接触面的粗糙度、平面度以及安装的压力等密切相关。介质的导热性能越好,或者接触越紧密,则Rcs越小。Rsa为散热器至空气的热阻;Rsa是散热器选择的重要参数。它与材质、材料的形状和表面积、体积、以及空气流速等参量有关。
  综合(1)和(3)可得

                        Rsa<[(Tj—Ta)/P]—Rjc—Rcs           (4)

  式(4)为散热器选配的基本原则,一般散热器厂商提供特定散热器材料的形状参数和热阻特性曲线,据此设计人员可计算出所需散热器的表面积、长度、重量,并进—步求得散热器的热阻值Rsa。
  在实际设计中应留出足够余量,因为提供数据的准确性、由功率器件到散热器的安装状况、散热器表面的空气对流状态、热量的非稳态分布等,都是非理想化的因素,应将这些因素考虑到设计中。
  另外,散热器表面向空气的热辐射,也是一种热耗散方式。在自冷设计中广泛应用的阳极氧化发黑和打毛处理工艺,即是增加热辐射的有效办法。但该办法明显不适用要求强迫风冷的以对流传导为主要方式的热设计,因为散热器表面越光亮则热阻越低,这是在设计中要特别注意的。

  3.热设计中常用的几种方法
  为了将发热器件的热量尽快地发散出去,一般从以下几个方面进行考虑:使用散热器、冷却风扇、金属PCB、散热膏等,在实际设计中要针对产品的要求及最佳性价比,合理地将上述几种方法综合运用到功率器件的热设计中。

  4.功率模块的散热器设计
  由于功率模块所产生的热量在所设计的系统中占主导地位,其热量主要来源于功率模块的开通、关断及导通损耗。从电路拓扑方式上来讲,采用零开关变换拓扑方式使电路中的电压或电流在过零时开通或关断,可最大限度地减少开关损耗-匿匠无法彻预瀑头妇于关管的损耗,故利用散热器是常用及主要的方法。
  (1)散热器的热阻模型
  由于散热器是功率模块散热的重要部件,它的散热绷嘲高与低关系到功率模的工作性能。散热器通常采用铜或铝,虽然铜的热导率比铝高2倍,但其价格比铝高得多,故目前采用铝材料的情况较为普遍。通常来讲,散热器的表面积越大散热效果越好。散热器的热阻模型及等效电路如图1和图2所示,半导体结温公式如下式:

图1 散热器热阻模型 

图1 散热器热阻模型

 

图2 热阻模型等效电路

Pcmax(ta)=(tjmax~ta)/θj-a              (5)
Pcmax(tc)=(tjmax~tc)/θj-c              (6)

  式中,Pcmax(ta)为功率模块在环境温度为ta时的额定最大损耗;Pcmax(tc)为功率模块在预定的工作环境温度tc时的额定最大损耗;tjmax:为功率模块最大允许结温;ta为环境温度;tc为预定的工作环境温度。θj-a为环境温度为ta时的全热阻;θj-c为预定的工作环境温度tc时的全热阻。
  在图2中θs为绝缘垫热阻抗;θc为接触热阻抗(半导体和散热器的接触部分);θf为散热器的热阻抗(散热器与空气);θi为内部热阻抗(PN结接合部与外壳封装);θb为外部热阻抗(外壳封装与空气)。根据图2所示的热阻等效回路,全热阻可写为

θj-a=θi+[θb×(θs+θc+θf)]/(θb+θs+θc+θf)        (7)

  又因为θb比θs+θc+θf大很多,故可近似为:

θj-a=θi+θs+θc+θf                            (8)

  (2)热阻定义
  1) PN结与外部封装间的热阻抗(又叫内部热阻抗)θi与半导体PN结构、所用材料、外部封装内的填充物直接相关,每种半导体都有自身固有的热阻抗。
  2) 接触热阻抗θc是由半导体、封装形式和散热器的接触面状态所决定,接触面的平坦度、粗糙度、接触面积、安装方式都会对它产生影响。当接触面不平整、不光滑或接触面紧固力不足时就会增大接触热阻抗θc。在半导体和散热器之间涂上硅油可以增大接触面积,排除接触面之间的空气,而硅油本身又有良好的导热性,可降低接触热阻抗θc。
  当前有一种新型的相变材料,可取代硅油作为传热介面,在65℃(相变温度)时从固体变为流体,从而确保界面的完全润湿,该材料的触变特性避免其流到介面外。其传热效果与硅油相当,但没有硅油带来的污垢、环境污染和难于操作等缺点。用于不需要电气绝缘的场合。典型应用包括CPU散热片,功率模块或其他任何使用硅油的场合,它可涂布在铝质基材的两面,可单面附胶,双面附胶或不附胶。
  3) 绝缘垫热阻抗θs。绝缘垫是用于半导体器件和散热器之间的绝缘体,绝缘垫的热阻抗θs取决于绝缘材料的材质、厚度、面积。几种常用半导体封装形式的θs+θc见表1。

表1 常用半导体封装形式的θs+θ
常用半导体封装形式的θs+θc


   4) 散热器热阻抗θf。散热器热阻抗θf与散热器的表面积、表面处理方式、散热器表面空气的风速、散热器与周围的温度差有关。因此一般都会设法增强散热器的散热效果,主要的方法有增加散热器的表面积、设计合理的散热风道、增强散热器表面的风速。如果过于追求散热器的表面积而使散热器的齿指过于密集则会影响到空气的对流,热空气不易流动也会降低散热效果。自然风冷时散热器的齿指间距应适当增大,选择强制风冷则可适当减小齿指。散热器表面积可按下式计算:

S=0.86/(δt×α)m²                   (9)

  式中,δt为散热器温度与周围环境温度(ta)的差(℃);α为热传导系数,是由空气的物理性质及空气流速决定。α由下式决定。

α=nV×λ/L            (10)

  式中,λ为热电导率,由空气的物理性质决定;L为散热器高度(m);nV为空气流速系数,由下式决定。

计算公式                           (11)

  式中,v为动粘性系数(m²/S);v’为散热器表面的空气流速(m/s);Pr为系数,见表2。

表2 Pr系数
Pr系数

 

  5.冷却方式的选择
  在实际工作中,采用普通散热器与强迫风冷相结合的措施,并在散热器上安装温度开关。当温度达到75-80℃时,通过关闭信号停止对PMW发送控制信号,从而使驱动器封锁IGBT的开关输出,并予以关断保护。一个系统的冷却方式对IGBT的选择有非常大的影响。有些系统要求自然冷却(简称自冷),有些则可以接受风扇冷却(简称风冷)。在同样功率、同等条件下,风冷和自冷IGBT的最大区别在于外形大小及成本方面。西方大的公司传统上选择自然冷却,这样可得到较长的产品寿命,明显降低维护成本。
  风冷IGBT在成本和尺寸上的优势被它的缺点所抵消(如噪声,灰尘,风扇寿命和可靠性),但实际上这些缺点并不是最首要考虑的问题。一个外壳设计得极佳的自冷IGBT的可靠性比采用风冷的IGBT要低得多,因为风冷IGBT的冷却与外壳设计无关。另外,风冷产品的关键是半导体器件的温度比自冷系统温升更低,因而更可靠。
  要求产品设计寿命超过7年时,传统上不采用风扇。但是,如果允许定期更换风扇,就有可能得到设计寿命更长的风冷系统。如果风冷IGBT设计成具有风扇性能监测、现场易于更换风扇的特性,则允许系统以低成本获得高可靠性。除了风冷和自冷技术外,另外两种技术也越来越流行:外部系统冷却和辅助冷却。
  在功率模块的实际应用设计过程中,通常采用自然风冷与风扇强制风冷二种形式。自然风冷的散热片安装时应使散热片的叶片竖直向上放置,若有可能则可在散热片安装位置的周围钻几个通气孔便于空气的对流。
  强制风冷是利用风扇强制空气对流,冷却是由间断运行的风扇提供的。如果温度过高或持续输出大电流时,风扇就会运转。采用这种方式可以获得很高的系统集成度,但需要经常让风扇运转并定期检测其性能。所以在风道的设计上同样应使散热片的叶片轴向与风扇的抽气方向一致,为了有良好的通风效果,越是散热量大的功率模块越应靠近排气风扇,在有排气风扇的情况下,散热片的热阻见表3。

表3 散热片的热阻
散热片的热阻

 

  采用温控风扇的冷却方法的优点有:

  1)风扇间断运转使得系统设计寿命比IGBT内强制风冷要长。
  2)在正常情况下IGBT的冷却风扇不转。
  3)由于风扇间断运行,灰尘和噪声问题也大大缓解。
  表4给出了各种冷却方式下的典型功率密度。

 

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