IGBT功耗分析及散熱片設(shè)計

IGBT功耗分析及散熱片設(shè)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(jié)構(gòu)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(rèn)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(qū)動波形會存在下面幾組工作模式:OOI11、上橋臂Q1開通，Q3、Q5關(guān)閉，下橋臂Q4、Q6開通，Q2關(guān)閉;2、上橋臂Q3開通、Q1、Q5關(guān)閉，下橋臂Q2、Q6開通，Q4關(guān)閉;3、上橋臂Q5開通、Q1、Q3關(guān)閉，下橋臂Q2、Q4開通，Q6關(guān)閉;4、上橋臂Q1、Q3開通，Q5關(guān)閉，下橋臂Q6開通，Q2、Q4關(guān)閉;5、上橋臂Q1、Q5開通，Q3關(guān)閉，下橋臂Q4開通，Q2、Q6關(guān)閉;6、上橋臂Q3、Q5開通，Q1關(guān)閉，下橋臂Q2開通，Q4、Q6關(guān)閉;假設(shè)，標(biāo)志1代表開通，標(biāo)志0代表關(guān)閉:則可以整理為6組工作狀態(tài):模式Q1Q3Q5Q2Q4Q6#1100011#2010101#3001110#411Q001#5101010#5011100設(shè)開關(guān)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(guān)管的驅(qū)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(guān)管的驅(qū)動波形VQ1VQ3——\Q4——VQ5—'.Q5——VD1 VQ2VQ3——\Q4心—\Q5三、開關(guān)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(guān)管的下列損耗參數(shù):開關(guān)菅開啟損軽學(xué)開關(guān)菅開啟損軽學(xué)PshFue?= W開關(guān)菅關(guān)斷損吟Pskvnumir ― 24.50 W開關(guān)管導(dǎo)通損耗杭 ，P趣on 二 165.74 W二極■營開啟楨耗學(xué)Ptwm= 14.9-7W二極管關(guān)斷損耗學(xué)PnniTJiarr ― 14.^7 W二極管導(dǎo)通損耗罰； ，卩軸 二 35.07 W四、HeatSink設(shè)計步驟：散熱片設(shè)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(shè)計中是首要任務(wù)，只有確定后才可將晶體管的結(jié)溫進行預(yù)測。通常散熱器的設(shè)計分為三步1根據(jù)相關(guān)約束條件設(shè)計外輪廓圖；2、根據(jù)散熱器的相關(guān)設(shè)計準(zhǔn)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(shè)計：對于自然冷卻散熱器的設(shè)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(chǎn)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(yīng)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(zhì)的一個基本參數(shù)，散熱器的熱阻直接反映其熱導(dǎo)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(guān)。也與空氣的流動方式，即自然對流或強迫風(fēng)冷有關(guān)。后者還與風(fēng)速有關(guān)。根據(jù)廠商的資料：散熱器熱阻Rth是評定散熱器品質(zhì)的一個基本參數(shù)，散熱器的熱阻直接反映其熱導(dǎo)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(guān)。也與空氣的流動方式，即自然對流或強迫風(fēng)冷有關(guān)。后者還與風(fēng)速有關(guān)。散熱片類型熱阻與性價比的對應(yīng)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(yīng)大批量生產(chǎn)。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(nèi)。4.2MotorDriverIC+DiscreteIGBT方案熱阻計算：假設(shè)散熱片有平臺的底部（能夠與晶體管緊密結(jié)合）。對于未知型號的散熱器，有一些簡單數(shù)學(xué)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(jié)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(jié)-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(jié)-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(guān)于結(jié)-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(jié)果，取最大值為IGBT的結(jié)-殼的熱阻:同理，得到反向恢復(fù)二極管的結(jié)-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(shè)云母隔離片-散熱片結(jié)合緊密，通過導(dǎo)熱膏高效導(dǎo)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(chǎn)商一般會提供開關(guān)管最大結(jié)溫，根據(jù)IKP15N60T的DATASHEET:可查得IGBT的最大結(jié)溫為：Tjmax=175°C根據(jù)產(chǎn)品的工作環(huán)境，設(shè)環(huán)境溫度為：Tcmax=60C則開關(guān)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(guān)管布局對熱設(shè)計的影響：5.1開關(guān)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(guān)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