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IGBT模块的散热设计(2)


    7.降低功率器件的外壳温度
在一定的工作环境温度和输出负载条件下,在正常的大气环境下(自然对流冷却)功率器件外壳到周围环境的热阻抗可能使功率器件外壳的工作温度超过特定的最大值。如果确实如此,就需要降低功率器件外壳到周围环境的热阻抗,从而降低功率器件外壳工作温度。下面的技术可以用来减小热阻抗Rca。
  (1)附加散热片
散热片的用途是增大散热面积,以便将功率器件产生的热量转移到空气中。这会导致比较小的热阻抗,但会增加功率器件的体积。当使用散热片时,将散热片在空气中垂直排列会产生最好的效果。如果散热片不是暴露在空气中,热量转移将受到一定的影响。当给功率器件添加散热片时,应考虑散热片装配表面与功率器件外壳之间热阻抗。计算公式如下:
 Rca=Rcs+Rsa
    因为功率器件外壳和散热片装配表面不是完全平坦的,所以组装时在两个表面之间会产生空隙。这些空隙产生热阻抗Rcs,可使用热表面材料将表面热阻抗减少到最小。使用这种
热表面材料,Rcs值可以达到1℃/W以下。
 (2)提供气流
气流对于改进功率器件的散热状况并减小热阻抗是非常有效的。气流可迫使空气冷却,应用中可使用风扇或吹风机。因气流可降低热阻抗而不用加散热片,从而也不用增加功率器件的体积。在某些应用场合没有气流,但加装风扇也不是最佳选择,因为风扇会增加系统整体体积,影响系统的平均无故障工作时间( MTBF),并产生可以听到的噪音。气流定义通常采用线性英尺每分钟(LFPM)或立方英尺每分钟(CMF)来表示。
    CMF = LFPM * A
式中:A为气流流通面积。
    (3)增加散热片并提供气流
    带有气流的散热片可以极大地减少热阻抗。当使用散热片时,最好使气流平行于散热片表面流动。对于功率器件,气流顺着功率器件的长边吹,而散热片平行于其功率器件的短边,这样散热效果最好。
    8.冷却方式的选择
一个系统的冷却方式对功率器件的选择有非常大的影响。有些系统要求自然冷却(简称自冷),有些则可以接受风扇冷却(简称风冷)。在同样功率、同等条件下,风冷和自冷功率器件的最大区别在于外形大小及成本方面。西方大的公司传统上选择自然冷却,这样可得到较长的产品寿命,明显降低维护成本。
风冷功率器件在成本和尺寸上的优势被它的缺点所抵消(如噪音、灰尘、风扇寿命和可靠性),但实际上这些缺点并不是最首要考虑的问题。一个外壳设计得极佳的自冷功率器件的可靠性比采用风冷的功率器件要低得多,因为风冷功率器件的冷却与外壳设计无关,另外,风冷产品的关键是半导体器件的温度比自冷系统温升更低,因而更可靠。
    要求产品设计寿命超过7年时,传统上不采用风扇。但是,如果允许定期更换风扇,就有可能得到设计寿命更长的风冷系统。如果风冷功率器件设计成具有风扇性能监测、现场易于更换风扇的特性,则允许系统以低成本获得高可靠性。除了风冷和自冷技术外,另外两种技术也越来越流行,即外部系统冷却和辅助风冷。
(1)外部系统冷却
    外部系统冷却是指由中央冷却装置提供空气流对功率器件进行冷却,这种方法可以得到高功率密度,而且避免了采用功率器件的设备内装风扇带来的一些缺点。
    (2)辅助风冷
    辅助风冷是指功率器件的冷却是由间断运行的风扇提供的。如果温度过高或持续输出大电流,风扇就会运转。采用这种方式可以获得很高的系统集成度,但需要经常让风扇运转并定期检测其性能。如果风扇工作不正常,就会发出报警信号。该方法的好处有:
1)在不更换的情况下,风扇间断运转使得系统设计寿命比功率器件内强制风冷要长。
2)在正常情况下功率器件的冷却风扇不转。
3)由于风扇间断运行,灰尘和噪音问题也大大缓解。
表6-4给出了各种冷卸方式下的典型功率密度。
各种冷卸方式下的典型功率密度
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