IGBT功耗分析及散热片设计.docx
《IGBT功耗分析及散热片设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《IGBT功耗分析及散热片设计.docx（13页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
IGBT功耗分析及散热片设计
IGBT功耗分析及散热片设计
一、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，本钱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，且散热效果跟其构造和做工成正比。
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外表粗糙度、平行度和平面度满足要求，否那么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：
采用SPWM控制方法各个开关管的驱动波形存在下面的关系：
对于三相逆变器6组驱动波形会存在下面几组工作模式：
1、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：
那么可以整理为6组工作状态：
设开关管的工作频率为：
fswitch=3200Hz
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
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以下损耗参数：
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展预测。
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那么对散热器齿厚、齿的形状、齿间距、基板厚度进展优化；
3、进展校核计算；
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穿插，影响齿外表的对流。
所以一般情况下，建议自然冷却的散热器齿间距大于12mm，如果散热器齿上下于10mm，可按齿间距≥1.2倍齿高来确定散热器的齿间距。
2、自然冷却散热器外表的换热能力较弱，在散热齿外表增加波纹不会对自然对流效果产生太大的影响，所以建议散热齿外表不加波纹齿。
3、自然对流的散热器外表一般采用发黑处理，以增大散热外表的辐射系数，强化辐射换热。
4、由于自然对流到达热平衡的时间较长，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根本参数，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
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，本钱较低，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〕：
有较大围的热阻分布，但是本钱很高。
FoldedFin〔折叠肋片型散热片〕：
热阻很小，但是本钱较高。
LiquidSystems〔水冷系统〕：
热阻为所有型材中最小，但是本钱也相对而言最高。
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℃/W之。
4.2MotorDriverIC+DiscreteIGBT方案热阻计算：
假设散热片有平台的底部〔能够与晶体管严密结合〕。
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下图：
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：
那么IGBT的结-壳的热阻为：
Rth〔j-c〕igbta=（150-100）/（65-21）=1.136℃/w
且根据DATSHEET，还有关于结-壳的描述：
Rthj-cigbtb=1.15℃/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℃/W
4.2.2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，如以下图所示：
晶体管壳温-云母隔离片的热阻为：
Rth〔c-m〕=1.0℃/W
假设云母隔离片-散热片结合严密，通过导热膏高效导热，令其热阻：
Rth〔m-h〕=0.6℃/W
那么晶体管-散热片的热阻为：
Rth〔c-h〕= 1.6℃/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℃
根据产品的工作环境，设环境温度为：
Tcmax= 60℃
那么开关管允许的最大温升为：
Trmax= 115℃
4.2.4查询相近散热片的资料：
散热片的形状如以下图所示：
实测竞争对手的散热片尺寸为：
Discribition
Size〔mm〕
Length
90
Height
50
Width
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：
按照平均分配原那么，每个IGBT分得的散热片为：
Width1=30mm
Length1=20mm
Height1=50mm
选择与之相似的散热片：
取得其热阻为：
算法1：
三相逆变器三个上管的温度随时间变化线形图
三相逆变器三个下管的温度随时间变化线形图
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：
Trmax1=
用此热仿真模型得出的散热片上出现的最低温升为：
Trmin1=
用此热仿真模型得出的散热片上出现的平均温升为：
Travg1=
算法2：
用另外一种计算方法来表现出三维图的温度变化曲线：
用简化的热仿真模型得出的散热片上出现的最大温升为：
Trmax2
用简化的热仿真模型得出的散热片上出现的最低温升为：
Trmin2
用此热仿真模型得出的散热片上出现的平均温升为：
Travg2
5.2开关管布局2：
分析方法如上例5.1所示：
5.3开关管布局3：
分析方法如上例5.1所示：
5.4开关管布局4：
分析方法如上例5.1所示：
升级会员 