IGBT功耗分析及散热片设计

IGBT功耗分析及散热片设计―、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：

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====]匿墨書葛昙墓晝鑒議潼冒轟1聶蠡Hill靈il噩舅SSiBISMiMl对于三相逆变器6组驱动波形会存在下面几组工作模式:OOI11、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:模式Q1Q3Q5Q2Q4Q6#1100011#2010101#3001110#411Q001#5101010#5011100设开关管的工作频率为：fswitch=3200Hz呷删删刪怎—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VQ1VQ3——\Q4——VQ5呷删删刪怎—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VQ1VQ3——\Q4——VQ5—'.Q5——VD1 VQ2VQ3——\Q4心—\Q5三、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:开关菅开启损軽学开关菅开启损軽学PshFue™= W开关菅关斷损吟Pskvnumir ― 24.50 W开关管导通损耗杭 ，P趣on 二 165.74 W二极■营开启桢耗学Ptwm= 14.9-7W二极管关断损耗学PnniTJiarr ― 14.^7 W二极管导通损耗罚； ，卩轴 二 35.07 W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1Omm，可按齿间距n1.2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。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■100.00FleiqjuM电日Ttwm撕 C/Wtflt(jUinclMri-amblonyIIO-OC145Ptpgp.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°C/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:

2ctl=1Rih(J'OsrJFrth Rfh(h>-»rr*J2ctl=1Rih(J'OsrJFrth Rfh(h>-»rr*JHEATSINKlEXTERNALSEMICONDUCTORCASEJUNCTIOMRitirj-cwe)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:120W1DGW25*C £口"£ l50ftGTc120W1DGW25*C £口"£ l50ftGTc，-CASETEMPERATUREPowerdissipadonas雪functionofcasetemperature(7j£175CC)则IGBT的结-壳的热阻为：Rth(j-c)igbta=(150-100)/(65-21)=1.136°C/w且根据DATSHEET，还有关于结-壳的描述:IG&Tthermaljunction-caseRlfiJC1JSK.Wth电rmalres-rslance-j巳11丼口ieRthj-cigbtb=1.15C/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°C/W4.2.2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:ThermalParameterRelationshipsToeAmbientremperature/ThefMiKfrsisitfce；：Ihs'smb)HeaiSink-TseH£Ternpesralure二：RlhEc^sehsj二：RlhEc^sehsjTIMRfhU-caulRfhU-caulM-cile-riLilTlicirnnlElectricalllwnnnlRe?isLinecOltici卩lopeitir^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晶体管壳温-云母隔离片的热阻为：Rth(c-m)=1.0°C/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)=0.6C/W则晶体管-散热片的热阻为：Rth(c-h)=1.6C/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°C根据产品的工作环境，设环境温度为：Tcmax=60C则开关管允许的最大温升为：Trmax=115C4.2.4查询相近散热片的资料：散热片的形状如下图所示：He日十号ink«(mm)实测竞争对手的散热片尺寸为：DiscribitionSize(mm)TOC\o"1-5"\h\zLength 90Height 50Width 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：Widthl=30mmLength1=20mmHeight]=50mm选择与之相似的散热片:取得其热阻为：=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：Trmaxl=用此热仿真模型得出的散热片上出现的最低温升为：Trmin1二用此热仿真模型得出的散热片上出现的平均温升