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 最主要因數(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)境熱阻最要 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。最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(dá)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(hù)，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(hù)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極高，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(jìn)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)熱管是一種高效能的傳熱元件,它以獨特的傳熱方式，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(hù)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,是下一代散熱器的首選技術(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。如型DF4電傳動內(nèi)燃機車的電力整流柜改用熱管替換原有的純鋁散熱器上海威特力焊接設(shè)備制造有限公司在以上的逆變焊機中每臺都用熱管散熱器為和二極管散熱。
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