IGBT-散熱設計方法

目 錄
1. 發生損耗的計算方法....6-2
2. 散熱器（冷卻體）的選定方法....6-7
3. IGBT 模塊的安裝方法.6-10

本章對散熱設計進行說明。
為了使IGBT 安全工作，必須確保結溫（Tj）不超過Tj max。當然，不僅在額定負荷的范圍內時需要確保，在超負荷等異常情況下，也必須控制在Tj max 以下。因此，進行熱設計時要保證有充分余量。

1 發生損耗的計算方法
1.1 關于損耗
IGBT 模塊由IGBT 部和FWD 部構成，它們各自發生的損耗的合計即為IGBT 模塊整體的發生損耗。另外，發生損耗的情況可分為穩態時和交換時。如對上述內容進行整理可表述如下。
發生損耗的原因

穩態損耗（Past）
僅晶體管部的損耗（PTr）
開通損耗（Pon）
交換損耗（PswIGBT 模塊單位元）
件的總發生損耗（Ptotal）
關斷損耗（Poff）
穩態損耗（PF）
僅FWD 部的損耗（PFWD）
交換損耗（反向恢復損耗）（Prr）
無論IGBT 部還是FWD 部的穩態損耗均可通過輸出特性計算。同時，交換損耗能通過交換損耗-集電極電流特性計算。根據計算出的發生損耗進行散熱設計，保證結溫Tj 不超過設計值。
因此，在此使用的通態電壓和交換損耗的值，通常使用結溫Tj 為設計值（推薦Tj=125℃）時的數據。
這些特性數據均記載在說明書中，請參考。

1.2 使用DC 斬波器時發生損耗的計算方法
使用DC 斬波器時，可以將IGBT 或FWD 中流過的電流認為是連續的矩形波，從而簡單地進行近似計算。
圖 6-1 即表示近似的DC 斬波器的波形，集電極電流為IC 時的飽和電壓、交換損耗分別為VCE（sat）、Eon、Eoff，FWD 正向電流為IF 時的通態電壓、反向恢復損耗分別為VF、Eon、Eoff，發生損耗可如下計算：
IGBT 發生損耗（W）=穩態損耗+開通損耗+關斷損耗=[t 1/t 2 ×VCE (sat ) ×IC]+ [fc × (Eon +Eoff )]
FWD 發生損耗（W）=穩態損耗+反向恢復損耗

圖 6-1 DC 斬波器波形
實際上，直流電源電壓和門極電阻值等條件與說明書上記載的內容可能有差異，在這種情況下，可以按照下面的規則進行簡略計算。
· 直流電源電壓Ed（Vcc）不同時
通態電壓：不受Ed（Vcc）影響
交換損耗：與Ed(Vcc)成比例
·門極電阻值不同時
通態電壓：不受門極電阻值影響
交換損耗：分別與交換時間成比例，取決于門極電阻值

 

1.3 正弦波VVVF 變頻器應用時發生損耗的計算方法

通過VVVF 變頻器等進行PWM 控制時，如圖 6-2 所示，由于電流值與動作狀態始終在變化，因此發生損耗的詳細計算需要運用計算機模擬技術等。但是，由于其計算方法過于復雜，在此介紹一下運用近似式進行簡略計算的方法。
1) 前提條件
在進行計算時，以下列內容為前提條件。
·應為正弦波電流輸出三相PWM 控制VVVF 變頻器
·為通過正弦波、三角波比較的PWM 控制
·輸出電流為理想的正弦波
2) 穩態損耗（Psat、PF）的計算方法
IGBT 和FWD 的輸出特性如圖 6-3 所示，從說明書的數據可以得出近似值。
3) 交換損耗
4) 全發生損耗（總發生損耗）
根據2）和3）項的計算結果，
IGBT 部發生損耗為：PTr = Psat + Pon + Poff，
FWD 部發生損耗為：PFWD = PF + Prr
實際上，直流電源電壓與門極電阻等與說明書記載的內容可能有差異，與1.2 項采用同樣的思路，可作簡略計算。
2 散熱器（冷卻體）的選定方法
電力用二極管、IGBT、晶體管等功率模塊中，電極部和安裝基板多數情況下被絕緣，由于在一個散熱器上可以安裝多個元件使用，所以實際安裝時既容易，又可以實現緊湊配線。為了讓這些元件能夠安全地工作，工作時需要使各元件產生的損耗（熱）高效散發，因此選擇散熱器起了關鍵性作用。以下闡述選定散熱器的基本思路。
2.1 穩態的熱方程式
半導體的熱傳導可以將它變換為電路予以解釋。這里考慮僅將IGBT 模塊安裝到散熱器上的情形。此時，就熱量而言，可以轉換為如圖6-6 所示的等效電路。

3 IGBT 模塊的安裝方法
3.1 安裝在散熱器上
熱阻根據IGBT 模塊的安裝位置而變化，請注意以下幾點：
1 個IGBT 模塊安裝在散熱器上時，如果安裝在散熱器中心，則熱阻變成最小。
 在同一個散熱器上安裝多個IGBT 模塊時，請在考慮各IGBT 模塊發生的損耗情況的基礎上，決定安裝的位置。對發生大損耗的IGBT 模塊，請給予大面積。
3.2 散熱器表面的處
關于安裝IGBT 模塊的散熱器的表面處理，螺釘位置間的平面度控制在100μm 以內，表面粗糙度控制在10μm 以下。散熱器表面如有凹陷，會導致接觸熱阻（Rth（c-f））的增加。
另外，散熱器表面的平面度在上述范圍以外時，IGBT 模塊安裝時（夾緊時）會給IGBT 模塊內部的芯片與位于金屬基板間的絕緣基板增加應力，有可能產生絕緣破壞。


3.3 散熱絕緣混合劑的涂敷
為了使接觸熱阻變小，推薦在散熱器與IGBT 模塊的安裝面之間涂敷散熱絕緣混合劑。涂敷散熱絕緣混合劑時，在散熱器或IGBT 模塊的金屬基板面上請如圖6-11 涂敷。隨著IGBT 模塊與散熱器通過螺釘夾緊，散熱絕緣混合劑就散開，使IGBT 模塊與散熱器均一接觸。
推薦散熱絕緣混合劑的一個實例用表6-1 表示。
表 6-1 散熱絕緣混合劑的實例
型號名稱 制造商
G746 Shin-Etsu Chemical
SC102 Dow Corning Toray Silicone
YG6260 GE Toshiba Silicones
散熱絕緣混合劑約0.5g
(1) 2 點安裝型模塊散熱絕緣混合劑約0.5g
(2) 4 點安裝型模塊
圖 6-11 散熱絕緣混合劑的涂敷方法

3.4 夾緊方法
IGBT 模塊安裝時，螺釘的夾緊方法如圖6-12 所示。另外，螺釘請以推薦的夾緊力矩范圍予以夾緊。
推薦的力矩在說明書中有記載，請另行參考。如果該力矩不足，可能使接觸熱阻變大，或在動作中產生松動。
反之，如果力矩過大，可能引起外殼破壞。
3.5 IGBT 模塊的安裝方向
將IGBT 模塊安裝在由擠壓模制作的散熱器上時，如圖6-12 所示，建議IGBT 模塊的安裝與散熱器擠壓方向平行。這是為了減小散熱器變形的影響。
擠壓方向
散熱器
螺釘位置模塊
擠壓方向
散熱器
螺釘位置模塊

3.6 溫度的驗證
選定散熱器、決定了IGBT 模塊的安裝位置后，請測定各部的溫度，確認IGBT 模塊的結溫（Tj）未超出額定值或設計值。
另外，圖6-13 表示了外殼溫度（Tc）的正確測定方法的實例。

 熱設計資料下載：  IGBT-散熱設計方法.pdf

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