IT功耗分析及散热片设计

I G B T功耗分析及散热片设计

一、HeatSink介绍：

散热片是一种散热器中的易发热电子元件散热的装置，多由铝合金，黄铜或青铜做成板状，片状，多片状等。

散热片主要靠对流来散热。散热器装在低处，易于热气上升。加强对流才能迅速提高热量，如果对流被破坏，热效率会被大大降低。

铝散热片是使用率最高的散热片之一，整体采用纯铝制造。铝是地球上含量最高的金属，成本低和热容低是其主要特点。其缺点主要是吸热慢，但优点是放热快，且散热效果跟其结构和做工成正比。散热片数越多、底部抛光越好，散热效果越好。其散热原理非常简单：利用散热器上的散热片来增大与空气的接触面积，再利用空气流动从而带走散热片上的热量。

一定要保证散热体台面的表面粗糙度、平行度和平面度满足要求，否则在运行中极易失去其散热能力，因过热而损坏器件。

二、认识三相逆变器的SPWM控制方法：

下面是三相逆变器的示意图：

采用SPWM控制方法各个开关管的驱动波形存在下面的关系：

对于三相逆变器6组驱动波形会存在下面几组工作模式：

1、上桥臂Q1开通，Q3、Q5关闭，下桥臂Q4、Q6开通，Q2关闭；

2、上桥臂Q3开通、Q1、Q5关闭，下桥臂Q2、Q6开通，Q4关闭；

3、上桥臂Q5开通、Q1、Q3关闭，下桥臂Q2、Q4开通，Q6关闭；

4、上桥臂Q1、Q3开通，Q5关闭，下桥臂Q6开通，Q2、Q4关闭；

5、上桥臂Q1、Q5开通，Q3关闭，下桥臂Q4开通，Q2、Q6关闭；

6、上桥臂Q3、Q5开通，Q1关闭，下桥臂Q2开通，Q4、Q6关闭；

假设，标志1代表开通，标志0代表关闭：

则可以整理为6组工作状态：

三、开关管的各个损耗参数：

可以通过IGBT功率损耗分布分析及计算工具得到开关管的下列损耗参数：

四、HeatSink设计步骤：

散热片设计的主要目的是确保总热阻减至最小可能值。热阻计算在散热器设计中是首要任务，只有确定后才可将晶体管的结温进行预测。

通常散热器的设计分为三步

1、根据相关约束条件设计外轮廓图；

2、根据散热器的相关设计准则对散热器齿厚、齿的形状、齿间距、基板厚度进行优化；

3、进行校核计算；

4.1散热器外形设计：

对于自然冷却散热器的设计方法而言：

1、考虑到自然冷却时温度边界层较厚，如果齿间距太小，两个齿的热边界层易交叉，影响齿表面的对流。所以一般情况下，建议自然冷却的散热器齿间距大于12mm，如果散热器齿高低于10mm，可按齿间距≥1.2倍齿高来确定散热器的齿间距。

2、自然冷却散热器表面的换热能力较弱，在散热齿表面增加波纹不会对自然对流效果产生太大的影响，所以建议散热齿表面不加波纹齿。

3、自然对流的散热器表面一般采用发黑处理，以增大散热表面的辐射系数，强化辐射换热。

4、由于自然对流达到热平衡的时间较长，所以自然对流散热器的基板及齿厚应足够，以抗击瞬时热负荷的冲击，建议大于5mm以上。

根据厂商的资料：

散热器热阻Rth是评定散热器品质的一个基本参数，散热器的热阻直接反映其热导和散热性能。

热阻器与散热器的大小、形状、安装方式、散热面积有关。也与空气的流动方式，即自然对流或强迫风冷有关。后者还与风速有关。

散热片类型热阻与性价比的对应框图

根据上图:

Stampings（冲压散热片）：常用于器件冷却，由铝或铜冲出形状，成本较低，适应大批量生产。但是其热阻较大，对于传热不利。

Fabricated（挤压型材散热片）：型材散热片的肋片增加波纹可增加10~20%的散热能力。价格和热阻性能相对较小，性价比高。

BondedFin（焊接或熔铸肋片）：有较大范围的热阻分布，但是成本很高。FoldedFin（折叠肋片型散热片）：热阻很小，但是成本较高。

LiquidSystems（水冷系统）：热阻为所有型材中最小，但是成本也相对而言最高。

HeatPipes（热管）：

根据前面的分析，我们最好采用Fabricated（挤压型材散热片），热阻可以控制在0.1~10℃/W之内。

4.2MotorDriverIC+DiscreteIGBT方案热阻计算：

假设散热片有平台的底部（能够与晶体管紧密结合）。对于未知型号的散热器，有一些简单数学公式可以计算其热阻。

对电力电子系统而言，散热片与晶体管的热阻模型如图所示：

其中：

Rth（j-case）：是晶体管结温-壳温的热阻

Rth（case-hs）：是晶体管壳温-散热片的热阻

Rth（hs-amb）：是散热片-环境温度的热阻

4.2.1晶体管结-晶体管壳热阻计算：

根据Infineon的IGBTIKP15N60T的DATASHEET：

则IGBT的结-壳的热阻为：Rth（j-c）igbta=(150-100)/(65-21)=1.136℃/w

且根据DATSHEET，还有关于结-壳的描述：

Rthj-cigbtb=1.15℃/W

根据两个结果，取最大值为IGBT的结-壳的热阻：

同理，得到反向恢复二极管的结-壳的热阻：

Rthj-cdiode=1.9℃/W

4.2.2晶体管壳温-散热片热阻计算：

散热片一般与晶体管之间有云母绝缘片的隔离，如下图所示：

晶体管壳温-云母隔离片的热阻为：

Rth（c-m）=1.0℃/W

假设云母隔离片-散热片结合紧密，通过导热膏高效导热，令其热阻：

Rth（m-h）=0.6℃/W

则晶体管-散热片的热阻为：

Rth（c-h）=?1.6℃/W

4.2.3散热片-环境温度热阻计算：

器件生产商一般会提供开关管最大结温，根据IKP15N60T的DATASHEET：

可查得IGBT 的最大结温为：

T jmax=175℃

根据产品的工作环境，设环境温度为：

Tcmax=?60℃

则开关管允许的最大温升为：

Trmax=?115℃

4.2.4查询相近散热片的资料：

散热片的形状如下图所示：

实测竞争对手的散热片尺寸为：

Discribition Size （mm ）

Length 90

Height

50 Width

40 本方案在散热器总的体积及大小形状不变的情况下，实验IGBT 如何摆放温度分布较合理。五、开关管布局对热设计的影响：

5.1开关管布局1：

按照平均分配原则，每个IGBT 分得的散热片为： Width1=30mm

Length1=20mm

Height1=50mm

选择与之相似的散热片：

取得其热阻为：

算法1：

三相逆变器三个上管的温度随时间变化线形图

用此热仿真模型得出的散热片上出现的最大温升为： Trmax1=

用此热仿真模型得出的散热片上出现的最低温升为： Trmin1=?

用此热仿真模型得出的散热片上出现的平均温升为： Travg1=?

算法2：

用另外一种计算办法来表现出三维图的温度变化曲线： 用简化的热仿真模型得出的散热片上出现的最大温升为： Trmax2?

用简化的热仿真模型得出的散热片上出现的最低温升为： Trmin2

用此热仿真模型得出的散热片上出现的平均温升为： Travg2

5.2开关管布局2：

分析方法如上例5.1所示：

5.3开关管布局3：

分析方法如上例5.1所示：

5.4开关管布局4：

分析方法如上例5.1所示：