IGBT功率器件散热器详解

IGBT功率器件散热器详解

IGBT器件工作时产生的热量会使芯片温度升高。如果IGBT散热问题处理不好，就有可能使芯片温度升高到超过所允许的最高IGBT结温，从而导致器件性能恶化或失效。若在电路设计中，进行了合理的散热设计，不但能使器件的潜力得到充分发挥，而且还能提高电路的可靠性。因此，IGBT散热设计也是功率电子电路设计任务中不可缺少的重要环节之一。IGBT散热设计的基本任务是，根据传热学的基本原理，为器件设计一热阻尽可能低的热流通路，使器件发出的热量能通过它尽快地发散出去，从而保证器件运行时，其内部的结温始终保持在允许的结温之内。

随着IGBT器件容量的不断增大，对散热效能提出越来越高的要求。散热器发展初期，选配散热器不是以结温，而是以额定电流作为依据。也就是说，一定额定电流下的器件必须配一定型号的散热器，这种指导思想在实际使用中曾被普遍采用。但是实践证明，当额定电流相同的器件(正向压降不同)，配以相同的散热器时，有的能够长期可靠运行，有的却很快损坏，因此不得不在标准中规定器件必须带散热器一起试验，一起出厂，这样大大影响了散热器的可换性，使制造单位和使用单位都感很不便，而且也很不经济。

采用结温作为器件与散热器匹配的依据，并建立了稳态热(简称热阻)概念之后，散热器的可换性得到了保证。因为两者的匹配关系可以通过计算来确定，使用者可根据实际的稳态耗散功率(不是额定电流)及实际介质温度来选择理想的散热器。只有这样，才能保证使用者能够经济又灵活地选配散热器，使器件的制造厂达到分别试验、分别出售的目的。

安装散热器的基本目的是把IGBT器件中产生的热量传递出去。与其他物体传热一样，有下面三种方式；热传导、热对流和热辐射。

散热器的类型

IGBT器件配用的散热器通常有自冷式、风冷式、液冷式和沸腾式四大类。

1．自冷式散热器

自冷式是通过空气自然对流及辐射作用将热量带走的散热方式。这种散热的效率很低，对流换热系数。α仅有(6~13)x 4.18 x103J／h.m2.K，但是它的结构简单、噪音小、维护方便，无需风机或循环系统等优点。通常适用于额定电流在20A以下的器件或简单装置中的大电流器件。随着半导器件价格的不断降低，较大器件也采用自冷式散热器，尤其在冲击负载的变流装置中应用更广泛。国内螺栓式器件使用的标淮散热器型号和部分参数见表1，结构示意见图1。

国产自冷式型材散热器和叉指型散热器的型号和其对应的热阻Rθs-a之值见表2和表3，它们的外形图和特性曲线如图2和图3所示。从表2和表3可见，散热器到环境的热阻Rθs-a

随加于散热器上的耗散功率P C值的增大而略有下降。这是因为当加于散热器上的功率Pc 增大时，散热器的温升此也就随之增大。散热器与环境之间的温差增大，散热器的辐射散热和对流散热的散热能力就增强，所以其热阻Rθs-a呈现略有下降趋势。

2．风冷式散热器

风冷式散热器主要用于电流额定值在50—500A的器件。风冷式散热器的特点是散热效率高，其换热系数为(35~52)x 4.18 x103J／h.m2.K。是自冷式散热的效率的2~4倍。但是采用风冷需配备风机，因而出现噪声大，容易吸入灰尘，可靠性相对降低，维护困难等缺点。散热器材料质量特性，对散热效率有显著影响。紫铜导热系数较高为330 x 4.18 x103J／

h.m2.K，相当于工业纯铝160 x 4.18 x103J／h.m2.K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1／2—1／3，并且有耐盐露等优点。但由于铜的比重大，价格高(为铝材的3倍左右)，一般较少应用。

螺栓式器件用的SL系列风冷式散热器型号和部分参数见表4所列，结构示意图见图4。平板式器件用的SF系列风冷式散热器型号和部分参数见表5，结构示意图如图5所示。

在风冷装置内部的冷却风速标准值为6m／s，若风速小于标准值时，应根据制造单位所提供的资料查取对应于实际风速的热阻。当制造单位没有给出低于标准风速下的热阻时，可以近似地用表6所列系数乘以额定热阻R SA。器件的容量随风速降低而减小，亦即系数K随风速下降而增大。

在进行风冷式散热设计时，需计算空气流量，可用下面两个公式：

式中PD——电源的总耗散功率；

△T——装置内部和外部温度之差。

3．水冷式散热器

（1）水冷式散热器的型式

水冷式散热器的散热效率极高，其对流换热系数160 x 4.18 x103J／h.m2.K，等于空气自然冷却换热系数的150-300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。这种散热器一般适用于电流容量在500A以上的器件，少数也应用于200A器件。冷却形式的选择主要决定于装置容量而不是器件的容量。

由于水的绝缘性较差，而且会在高电压下出现电腐蚀和漏电现象，因此对高压装置来说，其冷却水必须用离子交换树脂来进行处理，此时必须使用复杂的循环水冷却系统。只有在低电压下，例如装置电压低于400V(DC)或380V(AC)时，才可以来用流水冷却，以简化冷却系统。实际上这个分界线也是随着装置的电流容量而有所变动的。当装置容量较大时，例如直流3000A以上，即使电压只有200V，仍应采用循环水冷却，当电流较小时，如直流200A 以下，即使电压600V(DC)或660V(AC)，亦可使用水冷却。总之，水冷式散热器的型式选择取决于对电压高低、电流大小、经济性和维护方便的综合考虑。

(2)水质要求

对循环冷却水来说，应保证电阻率不小于104~105Ω*cm，根据装置电压而定。如，当直流电压为600~800V时，水的电阻率应不小于5*104Ω*cm。

流水冷却系统的冷却水，在25℃以下测得的电阻率应不小于2500*104Ω*cm，其杂质量应不超过下列数值：

1)中性或略呈碱性反应，即pH值在7~9之间；

2)氯化物含量不大于20 x10-6，硝酸盐不大于10ppm，硫酸盐含量不大于100 x10-6；

3)不溶物质含量不大于250 x10-6。

必须指出，在采取措施，保证水质要求之后，一般散热器在通电过程中，仍然会出现电蚀现象，电压愈高，则电蚀愈严重；有时需要采取额外的防蚀措施。例如在中低压装置中，钢的电导率和导热率只等于铜的1/2~1/3，但由于耐电蚀性能良好，仍被采用。

(3)凝露问题及防止措施

当冷却水温度低于环境温度时，特别在相对湿度很高的夏季，往往出现凝露现象，使器件阴阳极之间的绝缘电阻大大下降而发生漏电、爬电和由此引起击穿事故。为此必须采取预防措施，使散热器温度不低于露点温度。例如在空载或轻载时，切断冷却水；采用加热措施，便装置内温度高于露点温度；或者采用提高水温等措施。

当散热器温度低于环境温度的某一数值，刚好出现凝露现象时的温度叫做露点温度。

它由下式计算：

式中B—相对湿度；

P S—饱和蒸汽压，Pa，

P—实际蒸汽压，Pa。

例如：已知环境温度t＝30℃，相对湿度B＝80％，从表7中可查得P S＝31.32x133.322Pa，则实际蒸汽压P＝PS xB％＝25.05 x133.322Pa。

再从表7中找出对应于25.05 x133.322Pa时的温度接近26℃，此温度即为当时的露点温度，亦即所选取的散热器进水温度不低于26℃，则不会出现凝露。

4．沸腾式冷却散热器’

沸腾式冷却散热器具有极高的冷却效率，对流换热系数为160 x 4.18 x103J／h.m2.K，其等效导热率相当于同几何尺寸的实心铜导热率的380倍左右。沸腾式冷却散热效率也超过水冷式。沸腾冷却装置的体积比自冷式装置小得多。

沸腾式冷却是将冷却媒质放在密闭容器中，通过媒质的相变来进行冷却的技术，如图6所示。液体在密闭器皿中受热沸腾，蒸发后的气体，通过蒸汽管将发热体的热量带给冷逐面，在该处重新凝结成液体，由回流管流回密闭器皿中，如此周而复始，对发热体进行冷却。这样，使用很细的蒸发管可以传递极大的热功率。

沸腾式冷却早期使用的工作工质有水、乙醚、酒精等，但从绝缘性能、不燃性、工作温度、蒸汽压强等特性来考虑，适用于半导体器件冷却的工质以常用氟利昂R—113和FC—77为宜。

总的说来，沸腾式冷却的价格较贵，通常适用于要求有限的发热体面积散发出特大热功率以及要求重量轻的场合。例如在地铁机车和航天设备中。