IGBT功率器件散热器详解

IGBT器件工作时产生的热量会使芯片温度升高。如果IGBT散热问题处理不好，就有可能使芯片温度升高到超过所允许的最高IGBT结温，从而导致器件性能恶化或失效。若在电路设计中，进行了合理的散热设计，不但能使器件的潜力得到充分发挥，而且还能提高电路的可靠性。因此，IGBT散热设计也是功率电子电路设计任务中不可缺少的重要环节之一。
IGBT散热设计的基本任务是，根据传热学的基本原理，为器件设计一热阻尽可能低的热流通路，使器件发出的热量能通过它尽快地发散出去，从而保证器件运行时，其内部的结温始终保持在允许的结温之内。
随着IGBT器件容量的不断增大，对散热效能提出越来越高的要求。散热器发展初期，选配散热器不是以结温，而是以额定电流作为依据。也就是说，一定额定电流下的器件必须配一定型号的散热器，这种指导思想在实际使用中曾被普遍采用。但是实践证明，当额定电流相同的器件(正向压降不同)，配以相同的散热器时，有的能够长期可靠运行，有的却很快损坏，因此不得不在标准中规定器件必须带散热器一起试验，一起出厂，这样大大影响了散热器的可换性，使制造单位和使用单位都感很不便，而且也很不经济。
采用结温作为器件与散热器匹配的依据，并建立了稳态热(简称热阻)概念之后，散热器的可换性得到了保证。因为两者的匹配关系可以通过计算来确定，使用者可根据实际的稳态耗散功率(不是额定电流)及实际介质温度来选择理想的散热器。只有这样，才能保证使用者能够经济又灵活地选配散热器，使器件的制造厂达到分别试验、分别出售的目的。
安装散热器的基本目的是把IGBT器件中产生的热量传递出去。与其他物体传热一样，有下面三种方式；热传导、热对流和热辐射。
散热器的类型
IGBT器件配用的散热器通常有自冷式、风冷式、液冷式和沸腾式四大类。
1．自冷式散热器
自冷式是通过空气自然对流及辐射作用将热量带走的散热方式。这种散热的效率很低，对流换热系数。α仅有(6~13)x 4.18 x10³J／h.m².K，但是它的结构简单、噪音小、维护方便，无需风机或循环系统等优点。通常适用于额定电流在20A以下的器件或简单装置中的大电流器件。随着半导器件价格的不断降低，较大器件也采用自冷式散热器，尤其在冲击负载的变流装置中应用更广泛。国内螺栓式器件使用的标淮散热器型号和部分参数见表1，结构示意见图1。 国产自冷式型材散热器和叉指型散热器的型号和其对应的热阻R_θs-a之值见表2和表3，它们的外形图和特性曲线如图2和图3所示。从表2和表3可见，散热器到环境的热阻R_θs-a随加于散热器上的耗散功率P_C值的增大而略有下降。这是因为当加于散热器上的功率Pc增大时，散热器的温升此也就随之增大。散热器与环境之间的温差增大，散热器的辐射散热和对流散热的散热能力就增强，所以其热阻R_θs-a呈现略有下降趋势。 2．风冷式散热器
风冷式散热器主要用于电流额定值在50—500A的器件。风冷式散热器的特点是散热效率高，其换热系数为(35~52)x 4.18 x10³J／h.m².K。是自冷式散热的效率的2~4倍。但是采用风冷需配备风机，因而出现噪声大，容易吸入灰尘，可靠性相对降低，维护困难等缺点。
散热器材料质量特性，对散热效率有显著影响。紫铜导热系数较高为 330 x 4.18 x10³J／h.m².K，相当于工业纯铝160 x 4.18 x10³J／h.m².K的2倍，在相同散热效率下，紫铜散热器的体积为铝质散热器的1／2—1／3，并且有耐盐露等优点。但由于铜的比重大，价格高(为铝材的3倍左右)，一般较少应用。
螺栓式器件用的SL系列风冷式散热器型号和部分参数见表4所列，结构示意图见图4。平板式器件用的SF系列风冷式散热器型号和部分参数见表5，结构示意图如图5所示。 在风冷装置内部的冷却风速标准值为6m／s，若风速小于标准值时，应根据制造单位所提供的资料查取对应于实际风速的热阻。当制造单位没有给出低于标准风速下的热阻时，可以近似地用表6所列系数乘以额定热阻R_SA。器件的容量随风速降低而减小，亦即系数K随风速下降而增大。
在进行风冷式散热设计时，需计算空气流量，可用下面两个公式： 式中  PD——电源的总耗散功率；
△T——装置内部和外部温度之差。