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IGBT模塊的散熱技術(shù)發(fā)展

2015年04月15日 09:23:46人氣：4091來源：北京京誠宏泰科技有限公司

IGBT模塊散熱技術(shù)

散熱的過程

　　1 IGBT在結(jié)上發(fā)生功率損耗;

　　2 結(jié)上的溫度傳導(dǎo)到IGBT模塊殼上;

　　3 IGBT模塊上的熱傳導(dǎo)散熱器上;

　　4 散熱器上的熱傳導(dǎo)到空氣中。

　　散熱環(huán)節(jié) 影響散熱程度影響因數(shù) 解決辦法

　　1總發(fā)熱功率 zui主要因數(shù) 運行電流電壓改變電壓電流開關(guān)頻率

　　2 結(jié)殼熱阻次要模塊工藝

　　3 殼到散熱器熱阻次要散熱器材料粘貼材料

　　4 散熱器到環(huán)境熱阻zui要散熱方式散熱材料散熱方式散熱材料

　　如果IGBT模塊一定時，IGBT結(jié)殼之間的熱阻一定，IGBT殼與散熱器的熱阻與散熱器材料和接觸程度兩個方面有關(guān)，但此處熱阻較小，散熱器的材料及接觸程度的改變對整個散熱過程影響較小。zui換言之就是主要影響散熱的是兩個方面，一是總的損耗，二是散熱器熱阻。但是往往鑒于輸出功率及實際工況的限制，IGBT的總功率損耗是不可以改變的。所以散熱的問題主要就是怎么改變散熱器到空氣或其他介質(zhì)之間熱阻的問題。

　　二、常規(guī)解決散熱主要方法

　　功率器件的耗散功率所產(chǎn)生的溫升需由散熱器來降低，通過散熱器增加功率器件的導(dǎo)熱和輻射面積、擴張熱流以及緩沖導(dǎo)熱過渡過程，直接傳導(dǎo)或借助于導(dǎo)熱介質(zhì)將熱量傳遞到冷卻介質(zhì)中，如空氣、水或水的混合液等。目前常用到的冷卻方、式為強制空氣冷卻、循環(huán)水冷卻、熱管散熱器冷卻等。

　　1、空氣自然散熱

　　空氣自然散熱是指不使用任何外部輔助能量，實現(xiàn)局部發(fā)熱器件向周圍環(huán)境散熱達到溫度控制的目的。通常包含導(dǎo)熱、對流和輻射，適用于對溫度控制要求不高、器件發(fā)熱的熱流密度不大的低功耗器件和部件，以及密封或密集組裝的器件不宜(或不需要)采用其他冷卻技術(shù)的情況。這種散熱器效率很低，不適合用于大功率器件中。由于它的結(jié)構(gòu)簡單、無噪音、免維護，特別是沒有運動部件，所以可靠性高，非常適用于額定電流在以下的器件。

　　2、強制空氣冷卻

　　強制對流風(fēng)冷散熱特點是散熱效率高，其傳熱系數(shù)是自冷式散熱效率的2-5倍。強制對流風(fēng)冷散熱分兩部分：翼片散熱片和風(fēng)扇。熱源直接接觸的翅片散熱器，其作用是將熱源發(fā)出的熱量引出，風(fēng)扇用來給散熱器強制對流冷卻降溫。

　　從而強制空氣冷卻主要與散熱器材料、結(jié)構(gòu)、翼片有關(guān)。

　　風(fēng)速越大，散熱器熱阻越小，但流動阻力越大，因此應(yīng)適當(dāng)提高風(fēng)速來降低熱阻。風(fēng)速超過一定值之后再提高風(fēng)速對熱阻的影響就非常小了。

　　散熱器材料質(zhì)量特性對散熱效率有顯著影響。紫銅導(dǎo)熱系數(shù)相當(dāng)于工業(yè)純鋁的2倍，在相同散熱效率下，紫銅散熱器的體積為鋁質(zhì)散熱器的1/3一1/2。由于銅的比重大，價格高，一般較少應(yīng)用。

　　風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，安全可靠，技術(shù)成熟，但不能將溫度降至室溫以下。因需配備風(fēng)機，因而噪聲大，容易吸人灰塵，可靠性相對降低，有一定維護量，且風(fēng)扇壽命受時間限制。

　　3、液態(tài)冷卻方式

　　液態(tài)冷卻將導(dǎo)熱系數(shù)較之氣體冷卻可顯著提高。對于功率密度大的電力電子裝置而言，液體冷卻是很好的選擇。液體冷卻系統(tǒng)利用循環(huán)泵來保證冷卻液在熱源和冷源之間循環(huán)，以交換熱量。

　　水冷式散熱器水冷式散熱器的散熱效率*，等于空氣自然冷卻換熱系數(shù)的100-300倍。以水冷式散熱器代替風(fēng)冷式散熱器，可大大提高器件的容量。但是，由于普通水的絕緣性較差，水中存在的雜質(zhì)離子會在高電壓下導(dǎo)致電腐蝕和漏電現(xiàn)象，只有在低電壓，才可以采用普通水冷卻。為使上述水冷系統(tǒng)進人高壓大功率電力電子領(lǐng)域，必須解決冷卻水的純度和長期運行時系統(tǒng)的可靠性及腐蝕兩大問題，且水冷卻方式需要有水循環(huán)與處理設(shè)備，設(shè)備復(fù)雜。

　　油冷式散熱器由于油的冷卻性能比空氣好，同時也由于將閥體安裝在油箱中可以免受環(huán)境條件的影響，具有很高的絕緣性和電磁屏蔽效果，所以曾在高壓大功率電力電子裝置中得到相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。但由于水冷系統(tǒng)不論從冷卻效果還是環(huán)境影響方面均具有明顯的優(yōu)勢，所以近年來油冷系統(tǒng)似乎已漸漸淡出高壓大功率變流器領(lǐng)域。

　　4、管散熱器

　　熱管散熱方案設(shè)計及實現(xiàn)熱管是一種能的傳熱元件,它以*的傳熱方式，實現(xiàn)了超常的傳熱效果。典型的熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成，將管內(nèi)抽成1.3*(0.1~0.0001)Pa的負(fù)壓后充以適量的工作液體，使緊貼管內(nèi)壁的吸液芯毛細(xì)多孔材料中充滿液體后加以密封。管的一端為蒸發(fā)段(加熱段，另一端為冷凝段(冷卻段)，根據(jù)應(yīng)用需要在兩段中間可布置絕熱段。當(dāng)熱管的一端受熱時毛紉芯中的液體蒸發(fā)汽化，蒸汽在微小的壓差下流向另一端放出熱量凝結(jié)成液體,液體再沿多孔材料靠毛細(xì)力的作用流回蒸發(fā)段。如此循環(huán)，熱量由熱管的一端傳至一另端。其優(yōu)點是，具有傳熱能力強，是紫銅的10倍,、均溫能力優(yōu)良、熱密度可變、無外加設(shè)備、工作可靠、結(jié)構(gòu)簡單，重量輕、不用維護等優(yōu)點,熱管傳熱速度且噪音低,使用壽命長，缺點是價格昂貴。但隨著技術(shù)水平的提高及大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)，熱管必將成為未來主流的散熱器產(chǎn)品,是下一代散熱器的技術(shù)。

　　熱管散熱器一般適用于大功率、分立元件的場合在一些特殊的生產(chǎn)工況如粉塵比較多的地方煤礦、焦化廠、部分化工廠可以采用熱管散熱器，因為可以做到整個功率變換部分的密閉性。國內(nèi)的電力電子變換器行業(yè)多年前已采用熱管散熱器。

關(guān)鍵詞：IGBT 功率器件

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