IGBT功耗分析及散热片设计

IGBT功耗分析及散热片 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： 设开关管的工作频率为：fswitch=3200Hz 三相逆变器SPWM控制原理 三相逆变器6个开关管的驱动波形 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。 Bonded Fin（焊接或熔铸肋片）：有较大范围的热阻分布，但是成本很高。 Folded Fin（折叠肋片型散热片）：热阻很小，但是成本较高。 Liquid Systems（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。 Heat Pipes（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。 4.2 Motor Driver IC + Discrete IGBT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IGBT IKP15N60T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： Tjmax = 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 三相逆变器三个下管的温度随时间变化线形图 三相逆变器开关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： 继续阅读