IGBT模塊散熱技術(shù)研究和設(shè)計步驟

共同成長888 2016-09-14

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IGBT模塊散熱技術(shù)研究和設(shè)計步驟

作者：微葉科技時間：2015-07-21 17:02

1.IGBT的散熱設(shè)計規(guī)則
眾所周知，大多數(shù)電子設(shè)備的可靠性都受溫度影響，通常使用設(shè)計規(guī)則來比較故障率的數(shù)字。根據(jù)設(shè)計準則，其中一條設(shè)計規(guī)則顯示組件在65℃以上的環(huán)境下工作時，溫度每上升10℃，故障率便增加一倍。這個常用的規(guī)則是基于以下的假定：用作比較的產(chǎn)品是用類似的設(shè)計和制造原理制作的，而組件是在相近的條件下工作（例如，在指定的外圍環(huán)境下：、芯片的溫度也相同）。實際上，不同的設(shè)計條件會對功率模塊的整體性能及可靠性造成影響。
根據(jù)另一個設(shè)計規(guī)則，如果組件是在其額定最高結(jié)溫(Tjmax)的70%~80%下工作，將享有很高的可靠性。對半導體來說，Tjmax通常保證為+150℃或+175℃。根據(jù)這些數(shù)字，半導體器件的結(jié)溫應該分別維持在低于+120℃和+135℃的水平。按照這個設(shè)計規(guī)則保持結(jié)溫處于較低水平，將可大大地提高整個系統(tǒng)的可靠性。
IGBT制造商通過內(nèi)部測試為IGBT制定了熱指針或降額曲線，這些測試通常是用風洞系統(tǒng)協(xié)助進行，以確定在不同對流條件下IGBT的熱性能。因IGBT制造商都是按照自己的內(nèi)部標準進行測試。而這些標準往往受到現(xiàn)有的測試設(shè)備、測試費用以及許多其他因素所影響。這些變量意味著IGBT的降額曲線會造成誤導，設(shè)計人員應當考慮到這些內(nèi)部測試的結(jié)果對設(shè)計帶來的影響。
1)降額曲線。風洞有多種不同的形狀和尺寸，加上IGBT可以放置在風洞的不同位置，這些都會影響測試結(jié)果。究竟是風洞強迫空氣流過IGBT，還是空氣可自由流過IGBT的四周，若氣流系統(tǒng)龐大，足以讓氣流在IGBT的四周流動，這與漏斗式風洞不同。漏斗式風洞強迫空氣直接吹到IGBT上面，由于大多數(shù)的應用并不是采用漏斗式或強迫式氣流，因此非漏斗式測試程序?qū)⒖傻玫阶罘€(wěn)健的結(jié)果。
氣流的測量也是很重要的，氣流應是利用熱線風速表直接測量IGBT前的氣流，以保證流量的準確度。利用氣流系統(tǒng)的層流，是比較保守穩(wěn)健的方法，會獲得較佳的測試結(jié)果。降額曲線是根據(jù)在最壞的方向進行，確保在任何方向下IGBT工作都不受影響。
在測試過程中溫度穩(wěn)定的時間越長，測量的結(jié)果越準確，基于這個方法，測馕勝蹦閣90保證溫度的穩(wěn)定性，雖然實際測試的時間會長一些，而準確性是預備熱降額曲線最重要的一環(huán)。為了確保對系統(tǒng)運行及可靠性起著關(guān)鍵作用的組件獲得最佳性能，在特殊應用的系統(tǒng)中要對IGBT的測試進行個別比較。
2)發(fā)熱圖像。確定熱性能的另一個方法，就是利用發(fā)熱圖像，即是使用紅外攝影機來測量溫度。這對于確定正確溫度非常有效，但是，設(shè)計人員必須要深入研究有關(guān)IGBT的方向、氣流的類型、穩(wěn)定時間有多長等。比較熱數(shù)據(jù)的最佳方法，是將不同的IGBT并排起來作紅外掃描（包括不同方向和測試板）。
在比較IGBT的可靠性指標時，首先要明了這些指標是在什么假定和情況下得到的。可靠性與熱性能及工作溫度的關(guān)系十分密切。工作溫度每上升10℃，故障率就增大一倍。在典型的系統(tǒng)中，MTBF（無故障平均時間）的計算是非常有意義的，但由于受到機柜內(nèi)其他組件所產(chǎn)生熱量的影響，IGBT附近空氣的溫度一般在55℃左右。這就需要在設(shè)計中選用的IGBT必須能夠在溫度上升時提供最高效率；需要最少的散熱；在底板（基板）中溫度上升的幅度最少。
2．IGBT的散熱設(shè)計
由于IGBT是大功率半導體器件，損耗功率使其發(fā)熱較多（尤其是Rg選擇偏大時），加之IGBT的結(jié)溫不能超過125℃，不宜長期工作在較高溫度下，因此要采取恰當?shù)纳岽胧┻M行過熱保護。散熱一般是采用散熱器（包括普通散熱器與熱管散熱器），并可進行強迫風冷。
IGBT模塊有既定的可容許最大結(jié)溫(Tj)，需要進行散熱設(shè)計，使其控制在這個溫度以下。進行散熱設(shè)計時，吾先要計算出元件發(fā)生的損耗值，以這個損耗值為基礎(chǔ)，選擇能夠控在容許溫度以下的散熱片。散熱設(shè)計不充分將可能導致在實際工作情況下超出元器件的容許溫度而損壞元器件。
一般情況下流過IGBT的電流較大，開關(guān)頻率較高，導致IGBT器件的損耗也比較大，如果熱量不能及時散掉，使得器件的結(jié)溫Tj超過Tjmax，則IGBT可能損壞。IGBT過熱的原因可能是驅(qū)動波形不好或電流過大或開關(guān)頻率太高，也可能由于散熱狀況不良。IGBT過熱保護是利用溫度傳感器檢測IGBT的散熱器溫度，當超過允許溫度時使主電路停止工作。
在進行熱設(shè)計時，不僅要保證其在正常工作時能夠充分散熱，而且還要保證其在發(fā)生短時過載時，為了使IGBT安全工作，必須確保結(jié)溫Tj不超過Tjmax。當然，不僅在額定負荷的范圍內(nèi)時需要確保，在超負荷等異常情況下，也必須控制在Tjmax以下。因此，進行熱設(shè)計時要保證有充分余量。在電路熱設(shè)計中由于受設(shè)備的體積和重量等的限制以及性價比的考慮，散熱系統(tǒng)也不可能無限制地擴大。對此可在靠近IGBT處加裝一溫度檢測元件，實時檢測IGBT的工作溫度。當檢測的溫度超過溫度設(shè)定值時，由控制單元切斷IGBT的輸入，保護IGBT的安全。
由于IGBT自身有一定的功耗，導致IGBT本身發(fā)熱。在一定外殼散熱條件下，IGBT存在一定的溫升（即殼溫與環(huán)境溫度的差異），而IGBT外殼散熱表面積的大小直接影響溫升。對于溫度較高的地方須將IGBT降額使用以減小IGBT的功耗，從而減小溫升，保證外殼不超過極限值。
IGBT在運行時由于內(nèi)部功率消耗都將產(chǎn)生一些熱量，在每一應用中都有必要限制這種“自身發(fā)熱”，使IGBT外殼溫度不超過指定的最大值。絕大多數(shù)IGBT生產(chǎn)商都以產(chǎn)品的功率密度作為水準，衡量產(chǎn)品的有效性。了解功率密度定義的條件是非常重要的。如果不能在規(guī)定的最大的環(huán)境溫度范圍內(nèi)使用IGBT，就有可能達不到參數(shù)中的最大輸出功率。IGBT可用的平均輸出功率就是可用的功率密度，IGBT的功率密度取決于下列因素：
1)要求的輸出功率。要求的輸出功率是應用需要的最大平均功率。
2)熱阻抗。熱阻抗的定義是功率消耗產(chǎn)生的溫升，熱阻抗通常用℃/W表示。
3)外殼最高工作溫度。所有IGBT都規(guī)定了外殼最高工作溫度。該溫度是指IGBT內(nèi)部的元件工作時所能承受的最高溫度，為保持IGBT的可靠性，應工作在最高溫度以下。
4)工作環(huán)境溫度。指在IGBT工作時周圍環(huán)境的最差的環(huán)境溫度。
IGBT件在工作時，若發(fā)熱量太大，且又來不及向周圍媒質(zhì)消散，IGBT就會因超過其正常工作的保證溫度而失效。因此，選配合適的散熱器，是元件可靠工作的重要條件之一。在IGBT的熱設(shè)計中所需的主要參數(shù)有下面幾個。
1) IGBT的工作結(jié)溫Tj。即元件允許的最高工作溫度極限，本參數(shù)由制造廠提供，或產(chǎn)品標準強制給出要求。
2) IGBT的損耗功率PZ。元件在工作時自身產(chǎn)生的平均穩(wěn)態(tài)功率消耗，定義為平均有效值輸出電流與平均有效值電壓降的乘積。
3) IGBT的耗散功率Q。特定散熱結(jié)構(gòu)的散熱能力。
4) IGBT的熱阻R。熱量在媒質(zhì)之間傳遞時，單位功耗所產(chǎn)生的溫升。
IGBT的散熱設(shè)計取決于IGBT所允許的最高結(jié)溫（Tj），在該溫度下，首先要計算出器件產(chǎn)生的損耗，按該損耗使結(jié)溫升至允許值以下來選擇散熱片。在散熱設(shè)計不充分的場合，實際運行在中等水平時，也有可能超過功率器件允許溫度而導致器件損壞。
為了選出最佳的散熱器，上述各參數(shù)需要相互配合。為了使管殼、散熱器的熱阻接近參數(shù)表給出的數(shù)值，安裝中應按功率模塊的規(guī)定值進行，安裝力矩過大，往往損壞管芯，安裝力矩過小，散熱性能較差。配置散熱器的目的是必須保證它能將元件的熱損耗有效地傳導至周圍環(huán)境，并使其熱源（結(jié)點）的溫度不超過Tj。設(shè)環(huán)境溫度為Ta。用公式表示為

P＜Q=(Tj—Ta）/R (1）

式中，P為功率器件的損耗功率，功率器件在工作時自身產(chǎn)生的平均穩(wěn)態(tài)功率消耗，定義為平均有效值輸出電流與平均有效值電壓降的乘積。Q為耗散功率，特定散熱結(jié)構(gòu)的散熱能力。21為元件工作結(jié)溫，即元件允許的最高工作溫度極限。本參數(shù)由制造廠提供，或產(chǎn)品標準強制給出要求。Ta為環(huán)境溫度；R為熱阻，熱量在媒質(zhì)之間傳遞時，單位功耗所產(chǎn)生的溫升。

R=△T/Q （2）

而熱阻尺又主要由三部分組成：

R=Rjc+Rcs+Rsa （3）

式中，Rjc為結(jié)點至管殼的熱阻；Rjc與IGBT的工藝水平和結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系，由制造商給出。Rcs為管殼至散熱器的熱阻；Rcs與管殼和散熱器之間的填隙介質(zhì)（通常為空氣）、接觸面的粗糙度、平面度以及安裝的壓力等密切相關(guān)。介質(zhì)的導熱性能越好，或者接觸越緊密，則Rcs越小。Rsa為散熱器至空氣的熱阻；Rsa是散熱器選擇的重要參數(shù)。它與材質(zhì)、材料的形狀和表面積、體積、以及空氣流速等參量有關(guān)。
綜合（1）和（3）可得

Rsa＜[(Tj—Ta)/P]—Rjc—Rcs (4)

式(4)為散熱器選配的基本原則，一般散熱器廠商提供特定散熱器材料的形狀參數(shù)和熱阻特性曲線，據(jù)此設(shè)計人員可計算出所需散熱器的表面積、長度、重量，并進—步求得散熱器的熱阻值Rsa。
在實際設(shè)計中應留出足夠余量，因為提供數(shù)據(jù)的準確性、由功率器件到散熱器的安裝狀況、散熱器表面的空氣對流狀態(tài)、熱量的非穩(wěn)態(tài)分布等，都是非理想化的因素，應將這些因素考慮到設(shè)計中。
另外，散熱器表面向空氣的熱輻射，也是一種熱耗散方式。在自冷設(shè)計中廣泛應用的陽極氧化發(fā)黑和打毛處理工藝，即是增加熱輻射的有效辦法。但該辦法明顯不適用要求強迫風冷的以對流傳導為主要方式的熱設(shè)計，因為散熱器表面越光亮則熱阻越低，這是在設(shè)計中要特別注意的。
3．熱設(shè)計中常用的幾種方法
為了將發(fā)熱器件的熱量盡快地發(fā)散出去，一般從以下幾個方面進行考慮：使用散熱器、冷卻風扇、金屬PCB、散熱膏等，在實際設(shè)計中要針對產(chǎn)品的要求及最佳性價比，合理地將上述幾種方法綜合運用到功率器件的熱設(shè)計中。
4．功率模塊的散熱器設(shè)計
由于功率模塊所產(chǎn)生的熱量在所設(shè)計的系統(tǒng)中占主導地位，其熱量主要來源于功率模塊的開通、關(guān)斷及導通損耗。從電路拓撲方式上來講，采用零開關(guān)變換拓撲方式使電路中的電壓或電流在過零時開通或關(guān)斷，可最大限度地減少開關(guān)損耗-匿匠無法徹預瀑頭婦于關(guān)管的損耗，故利用散熱器是常用及主要的方法。
(1)散熱器的熱阻模型
由于散熱器是功率模塊散熱的重要部件，它的散熱繃嘲高與低關(guān)系到功率模的工作性能。散熱器通常采用銅或鋁，雖然銅的熱導率比鋁高2倍，但其價格比鋁高得多，故目前采用鋁材料的情況較為普遍。通常來講，散熱器的表面積越大散熱效果越好。散熱器的熱阻模型及等效電路如圖1和圖2所示，半導體結(jié)溫公式如下式：

圖1 散熱器熱阻模型

圖2 熱阻模型等效電路

Pcmax(ta)=(tjmax~ta)/θj-a （5）

Pcmax(tc)=(tjmax~tc)/θj-c （6）

式中，Pcmax(ta)為功率模塊在環(huán)境溫度為ta時的額定最大損耗；Pcmax(tc)為功率模塊在預定的工作環(huán)境溫度tc時的額定最大損耗；tjmax：為功率模塊最大允許結(jié)溫；ta為環(huán)境溫度；tc為預定的工作環(huán)境溫度。θj-a為環(huán)境溫度為ta時的全熱阻；θj-c為預定的工作環(huán)境溫度tc時的全熱阻。
在圖2中θs為絕緣墊熱阻抗；θc為接觸熱阻抗（半導體和散熱器的接觸部分）；θf為散熱器的熱阻抗（散熱器與空氣）；θi為內(nèi)部熱阻抗（PN結(jié)接合部與外殼封裝）；θb為外部熱阻抗（外殼封裝與空氣）。根據(jù)圖2所示的熱阻等效回路，全熱阻可寫為

θj-a=θi+[θb×(θs+θc+θf)]/(θb+θs+θc+θf) （7）

又因為θb比θs+θc+θf大很多，故可近似為：

θj-a=θi+θs+θc+θf (8)

(2)熱阻定義
1) PN結(jié)與外部封裝間的熱阻抗（又叫內(nèi)部熱阻抗）θi與半導體PN結(jié)構(gòu)、所用材料、外部封裝內(nèi)的填充物直接相關(guān)，每種半導體都有自身固有的熱阻抗。
2) 接觸熱阻抗θc是由半導體、封裝形式和散熱器的接觸面狀態(tài)所決定，接觸面的平坦度、粗糙度、接觸面積、安裝方式都會對它產(chǎn)生影響。當接觸面不平整、不光滑或接觸面緊固力不足時就會增大接觸熱阻抗θc。在半導體和散熱器之間涂上硅油可以增大接觸面積，排除接觸面之間的空氣，而硅油本身又有良好的導熱性，可降低接觸熱阻抗θc。
當前有一種新型的相變材料，可取代硅油作為傳熱介面，在65℃（相變溫度）時從固體變?yōu)榱黧w，從而確保界面的完全潤濕，該材料的觸變特性避免其流到介面外。其傳熱效果與硅油相當，但沒有硅油帶來的污垢、環(huán)境污染和難于操作等缺點。用于不需要電氣絕緣的場合。典型應用包括CPU散熱片，功率模塊或其他任何使用硅油的場合，它可涂布在鋁質(zhì)基材的兩面，可單面附膠，雙面附膠或不附膠。
3) 絕緣墊熱阻抗θs。絕緣墊是用于半導體器件和散熱器之間的絕緣體，絕緣墊的熱阻抗θs取決于絕緣材料的材質(zhì)、厚度、面積。幾種常用半導體封裝形式的θs+θc見表1。

表1 常用半導體封裝形式的θs+θc

封裝	絕緣墊	Θs+θc/℃/W
		硅油
		有	無
TO~3	無	0.1	0.3
TO~3	有(50~100μm)	0.5~0.7	1.2~1.5
TO~66	無	0.15~0.2	0.4~0.5
TO~66	有(50~100μm)	0.6~0.8	1.5~2.0
TO~220AB	無	0.3~0.5	1.5~2.0
TO~220AB	有(50~100μm)	2.0~2.5	4.0~6.0
TO~3P	無	0.1~0.2	0.5~0.9
TO~3P	有(50~100μm)	0.5~0.8	2.0~3.0

4) 散熱器熱阻抗θf。散熱器熱阻抗θf與散熱器的表面積、表面處理方式、散熱器表面空氣的風速、散熱器與周圍的溫度差有關(guān)。因此一般都會設(shè)法增強散熱器的散熱效果，主要的方法有增加散熱器的表面積、設(shè)計合理的散熱風道、增強散熱器表面的風速。如果過于追求散熱器的表面積而使散熱器的齒指過于密集則會影響到空氣的對流，熱空氣不易流動也會降低散熱效果。自然風冷時散熱器的齒指間距應適當增大，選擇強制風冷則可適當減小齒指。散熱器表面積可按下式計算：

S=0.86/(δt×α）m2 （9）

式中，δt為散熱器溫度與周圍環(huán)境溫度(ta)的差(℃)；α為熱傳導系數(shù)，是由空氣的物理性質(zhì)及空氣流速決定。α由下式?jīng)Q定。

α=nV×λ/L (10)

式中，λ為熱電導率，由空氣的物理性質(zhì)決定；L為散熱器高度(m)；nV為空氣流速系數(shù)，由下式?jīng)Q定。

（11）

式中，v為動粘性系數(shù)(m2/S)；v’為散熱器表面的空氣流速(m/s)；Pr為系數(shù)，見表2。

表2 Pr系數(shù)

溫度t/℃	動粘性系數(shù)/（m2/s)	熱電導率（kcal/m.h.℃）	Pr
0	0.138	0.027	0.72
20	0.156	0.0221	0.71
40	0.175	0.0234	0.71
60	0.196	0.0247	0.71
70	0.217	0.0260	O.70
100	0.230	O.0272	O.70
120	0.262	O.0285	0.70

5.冷卻方式的選擇
在實際工作中，采用普通散熱器與強迫風冷相結(jié)合的措施，并在散熱器上安裝溫度開關(guān)。當溫度達到75-80℃時，通過關(guān)閉信號停止對PMW發(fā)送控制信號，從而使驅(qū)動器封鎖IGBT的開關(guān)輸出，并予以關(guān)斷保護。一個系統(tǒng)的冷卻方式對IGBT的選擇有非常大的影響。有些系統(tǒng)要求自然冷卻（簡稱自冷），有些則可以接受風扇冷卻（簡稱風冷）。在同樣功率、同等條件下，風冷和自冷IGBT的最大區(qū)別在于外形大小及成本方面。西方大的公司傳統(tǒng)上選擇自然冷卻，這樣可得到較長的產(chǎn)品壽命，明顯降低維護成本。
風冷IGBT在成本和尺寸上的優(yōu)勢被它的缺點所抵消（如噪聲，灰塵，風扇壽命和可靠性），但實際上這些缺點并不是最首要考慮的問題。一個外殼設(shè)計得極佳的自冷IGBT的可靠性比采用風冷的IGBT要低得多，因為風冷IGBT的冷卻與外殼設(shè)計無關(guān)。另外，風冷產(chǎn)品的關(guān)鍵是半導體器件的溫度比自冷系統(tǒng)溫升更低，因而更可靠。
要求產(chǎn)品設(shè)計壽命超過7年時，傳統(tǒng)上不采用風扇。但是，如果允許定期更換風扇，就有可能得到設(shè)計壽命更長的風冷系統(tǒng)。如果風冷IGBT設(shè)計成具有風扇性能監(jiān)測、現(xiàn)場易于更換風扇的特性，則允許系統(tǒng)以低成本獲得高可靠性。除了風冷和自冷技術(shù)外，另外兩種技術(shù)也越來越流行：外部系統(tǒng)冷卻和輔助冷卻。
在功率模塊的實際應用設(shè)計過程中，通常采用自然風冷與風扇強制風冷二種形式。自然風冷的散熱片安裝時應使散熱片的葉片豎直向上放置，若有可能則可在散熱片安裝位置的周圍鉆幾個通氣孔便于空氣的對流。
強制風冷是利用風扇強制空氣對流，冷卻是由間斷運行的風扇提供的。如果溫度過高或持續(xù)輸出大電流時，風扇就會運轉(zhuǎn)。采用這種方式可以獲得很高的系統(tǒng)集成度，但需要經(jīng)常讓風扇運轉(zhuǎn)并定期檢測其性能。所以在風道的設(shè)計上同樣應使散熱片的葉片軸向與風扇的抽氣方向一致，為了有良好的通風效果，越是散熱量大的功率模塊越應靠近排氣風扇，在有排氣風扇的情況下，散熱片的熱阻見表3。

表3 散熱片的熱阻