IGBT功耗分析及散熱片設計

IGBT功耗分析及散熱片設計―、HeatSink介紹：散熱片是一種散熱器中的易發(fā)熱電子元件散熱的裝置，多由鋁合金，黃銅或青銅做成板狀，片狀，多片狀等。散熱片主要靠對流來散熱。散熱器裝在低處，易于熱氣上升。加強對流才能迅速提高熱量，如果對流被破壞，熱效率會被大大降低。鋁散熱片是使用率最高的散熱片之一，整體采用純鋁制造。鋁是地球上含量最高的金屬，成本低和熱容低是其主要特點。其缺點主要是吸熱慢，但優(yōu)點是放熱快，且散熱效果跟其結構和做工成正比。散熱片數(shù)越多、底部拋光越好，散熱效果越好。其散熱原理非常簡單：利用散熱器上的散熱片來增大與空氣的接觸面積，再利用空氣流動從而帶走散熱片上的熱量。一定要保證散熱體臺面的表面粗糙度、平行度和平面度滿足要求，否則在運行中極易失去其散熱能力，因過熱而損壞器件。二、認識三相逆變器的SPWM控制方法：下面是三相逆變器的示意圖：

IH三龍=^9^25 l-rta^4」IH三龍=^9^25 l-rta^4」s—s—.—^3Et—-35-3IS±—iS：-￡_S，—：=SS==：=汁盅::== 空:H====]匿墨書葛曇墓晝鑒議潼冒轟1聶蠡Hill靈il噩舅SSiBISMiMl對于三相逆變器6組驅動波形會存在下面幾組工作模式:OOI11、上橋臂Q1開通，Q3、Q5關閉，下橋臂Q4、Q6開通，Q2關閉;2、上橋臂Q3開通、Q1、Q5關閉，下橋臂Q2、Q6開通，Q4關閉;3、上橋臂Q5開通、Q1、Q3關閉，下橋臂Q2、Q4開通，Q6關閉;4、上橋臂Q1、Q3開通，Q5關閉，下橋臂Q6開通，Q2、Q4關閉;5、上橋臂Q1、Q5開通，Q3關閉，下橋臂Q4開通，Q2、Q6關閉;6、上橋臂Q3、Q5開通，Q1關閉，下橋臂Q2開通，Q4、Q6關閉;假設，標志1代表開通，標志0代表關閉:則可以整理為6組工作狀態(tài):模式Q1Q3Q5Q2Q4Q6#1100011#2010101#3001110#411Q001#5101010#5011100設開關管的工作頻率為：fswitch=3200Hz呷刪刪刪怎—三相逆變器SPWM控制原理三相逆變器6個開關管的驅動波形VQ1VQ3——\Q4——VQ5呷刪刪刪怎—三相逆變器SPWM控制原理三相逆變器6個開關管的驅動波形VQ1VQ3——\Q4——VQ5—'.Q5——VD1 VQ2VQ3——\Q4心—\Q5三、開關管的各個損耗參數(shù):可以通過IGBT功率損耗分布分析及計算工具得到開關管的下列損耗參數(shù):開關菅開啟損軽學開關菅開啟損軽學PshFue?= W開關菅關斷損吟Pskvnumir ― 24.50 W開關管導通損耗杭 ，P趣on 二 165.74 W二極■營開啟楨耗學Ptwm= 14.9-7W二極管關斷損耗學PnniTJiarr ― 14.^7 W二極管導通損耗罰； ，卩軸 二 35.07 W四、HeatSink設計步驟：散熱片設計的主要目的是確?？偀嶙铚p至最小可能值。熱阻計算在散熱器設計中是首要任務，只有確定后才可將晶體管的結溫進行預測。通常散熱器的設計分為三步1根據(jù)相關約束條件設計外輪廓圖；2、根據(jù)散熱器的相關設計準則對散熱器齒厚、齒的形狀、齒間距、基板厚度進行優(yōu)化；3進行校核計算；4.1散熱器外形設計：對于自然冷卻散熱器的設計方法而言：1考慮到自然冷卻時溫度邊界層較厚，如果齒間距太小，兩個齒的熱邊界層易交叉，影響齒表面的對流。所以一般情況下，建議自然冷卻的散熱器齒間距大于12mm，如果散熱器齒高低于1Omm，可按齒間距n1.2倍齒高來確定散熱器的齒間距。2、自然冷卻散熱器表面的換熱能力較弱，在散熱齒表面增加波紋不會對自然對流效果產生太大的影響，所以建議散熱齒表面不加波紋齒。3自然對流的散熱器表面一般采用發(fā)黑處理，以增大散熱表面的輻射系數(shù)，強化輻射換熱。4、由于自然對流達到熱平衡的時間較長，所以自然對流散熱器的基板及齒厚應足夠，以抗擊瞬時熱負荷的沖擊，建議大于5mm以上。

根據(jù)廠商的資料：散熱器熱阻Rth是評定散熱器品質的一個基本參數(shù)，散熱器的熱阻直接反映其熱導和散熱性能。熱阻器與散熱器的大小、形狀、安裝方式、散熱面積有關。也與空氣的流動方式，即自然對流或強迫風冷有關。后者還與風速有關。根據(jù)廠商的資料：散熱器熱阻Rth是評定散熱器品質的一個基本參數(shù)，散熱器的熱阻直接反映其熱導和散熱性能。熱阻器與散熱器的大小、形狀、安裝方式、散熱面積有關。也與空氣的流動方式，即自然對流或強迫風冷有關。后者還與風速有關。散熱片類型熱阻與性價比的對應框圖■100.00FleiqjuM電日Ttwm撕 C/Wtflt(jUinclMri-amblonyIIO-OC145Ptpgp.根據(jù)上圖：Stampings（沖壓散熱片）：常用于器件冷卻，由鋁或銅沖出形狀，成本較低，適應大批量生產。但是其熱阻較大，對于傳熱不利。Fabricated（擠壓型材散熱片）：型材散熱片的肋片增加波紋可增加10~20%的散熱能力。價格和熱阻性能相對較小，性價比高。BondedFin（焊接或熔鑄肋片）：有較大范圍的熱阻分布，但是成本很高。FoldedFin（折疊肋片型散熱片）：熱阻很小，但是成本較高。LiquidSystems（水冷系統(tǒng)）：熱阻為所有型材中最小，但是成本也相對而言最高。HeatPipes（熱管）：根據(jù)前面的分析，我們最好采用Fabricated（擠壓型材散熱片），熱阻可以控制在0.1~10°C/W之內。4.2MotorDriverIC+DiscreteIGBT方案熱阻計算：假設散熱片有平臺的底部（能夠與晶體管緊密結合）。對于未知型號的散熱器，有一些簡單數(shù)學公式可以計算其熱阻。對電力電子系統(tǒng)而言，散熱片與晶體管的熱阻模型如圖所示:

2ctl=1Rih(J'OsrJFrth Rfh(h>-?rr*J2ctl=1Rih(J'OsrJFrth Rfh(h>-?rr*JHEATSINKlEXTERNALSEMICONDUCTORCASEJUNCTIOMRitirj-cwe)其中：Rth(j-case):是晶體管結溫-殼溫的熱阻Rth(case-hs):是晶體管殼溫-散熱片的熱阻Rth(hs-amb):是散熱片-環(huán)境溫度的熱阻4.2.1晶體管結-晶體管殼熱阻計算：根據(jù)Infineon的IGBTIKP15N60T的DATASHEET:120W1DGW25*C ￡口"￡ l50ftGTc120W1DGW25*C ￡口"￡ l50ftGTc，-CASETEMPERATUREPowerdissipadonas雪functionofcasetemperature(7j￡175CC)則IGBT的結-殼的熱阻為：Rth(j-c)igbta=(150-100)/(65-21)=1.136°C/w且根據(jù)DATSHEET，還有關于結-殼的描述:IG&Tthermaljunction-caseRlfiJC1JSK.Wth電rmalres-rslance-j巳11丼口ieRthj-cigbtb=1.15C/W根據(jù)兩個結果，取最大值為IGBT的結-殼的熱阻:同理，得到反向恢復二極管的結-殼的熱阻：Rthj-cdiode=1.9°C/W4.2.2晶體管殼溫-散熱片熱阻計算：散熱片一般與晶體管之間有云母絕緣片的隔離，如下圖所示:ThermalParameterRelationshipsToeAmbientremperature/ThefMiKfrsisitfce；：Ihs'smb)HeaiSink-TseH￡Ternpesralure二：RlhEc^sehsj二：RlhEc^sehsjTIMRfhU-caulRfhU-caulM-cile-riLilTlicirnnlElectricalllwnnnlRe?isLinecOltici卩l(xiāng)opeitir^JnicaGoodExtellenl?07S10FioaifcGradExc：elhniR0.9-1.5Very%血|aluminiumoxideExcsllenlFair?D.4Fragile?easilydama§fidbsryllia^berylliurnMide)EseonentEneelleni*02&TwriuSil-P^dsf?ir+Extellerri~1.Q-1.5CowHntTlkennatRetshNiK^ofV^iidii^MaimtiiigMelliods(TO^220C昭曰Pdck?ig?Diied(Dry)Direct*GreawMic”6i&as?SN-Pad?TOP0.5^073.3-O.￡0.4^OE047OP-3(胡)0.3-1.15.S-0.7c.e-a.@Q.苗TO-1261.5-2.009-1212-17MATO-2201.1-13ag1iHE百□1.5Coinpiirhono-fCn-s?Types晶體管殼溫-云母隔離片的熱阻為：Rth(c-m)=1.0°C/W假設云母隔離片-散熱片結合緊密，通過導熱膏高效導熱，令其熱阻:Rth(m-h)=0.6C/W則晶體管-散熱片的熱阻為：Rth(c-h)=1.6C/W

4.2.3散熱片-環(huán)境溫度熱阻計算:器件生產商一般會提供開關管最大結溫，根據(jù)IKP15N60T的DATASHEET:可查得IGBT的最大結溫為：Tjmax=175°C根據(jù)產品的工作環(huán)境，設環(huán)境溫度為：Tcmax=60C則開關管允許的最大溫升為：Trmax=115C4.2.4查詢相近散熱片的資料：散熱片的形狀如下圖所示：He日十號ink?(mm)實測競爭對手的散熱片尺寸為：DiscribitionSize(mm)TOC\o"1-5"\h\zLength 90Height 50Width 40本方案在散熱器總的體積及大小形狀不變的情況下，實驗IGBT如何擺放溫度分布較合理。

五、開關管布局對熱設計的影響：5.1開關管布局1:按照平均分配原則，每個IGBT分得的散熱片為：Widthl=30mmLength1=20mmHeight]=50mm選擇與之相似的散熱片:取得其熱阻為：=3.1'C/WRmn垃=31'C/W=31'C/WR=31■c/wRtfllws=31'C/W=3.1'C/W算法1:三相逆變器開關管的溫度隨時間變化線形圖用此熱仿真模型得出的散熱片上出現(xiàn)的最大溫升為：Trmaxl=用此熱仿真模型得出的散熱片上出現(xiàn)的最低溫升為：Trmin1二用此熱仿真模型得出的散熱片上出現(xiàn)的平均溫升