大功率器件IGBT散热分析

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1、山西电子技术应用实践2010年第3期文章编号:1674-4578(2010)03-0016-03大功率器件IGBT散热分析郭永生，王志坚(国营第七八五厂，山西太原030024)摘要:在实际应用过程中，大功率器件IGBT可能因其产生大量的热量而损坏。所以，我们要进行散热计算，计算出最大的散热器到环境温度的热阻，设计成适用的散热器，把热量传导到外部环境，确保大功率器件安全可靠的工作。关键词:散热;热传导;结温;热阻;散热器中图分类号:TM461.4文献标识码:A0引言是通过计算器件工作时产生的损耗功率Ptot、器件允

2、许的结任何器件在工作时都有一定的损耗，大部分的损耗均变温Tvjop、环境温度Ta，求出器件允许的总热阻Rth(j－a);再根成热量。在实际应用过程中，大功率器件IGBT在工作时会据Rth(j－a)求出最大允许的散热器到环境温度的热阻产生很大的损耗，这些损耗通常表现为热量。为了使IGBTRth(f－a);最后根据Rth(f－a)选取具有合适热阻的散热器。能正常工作，必须保证IGBT的耗散功率不大于最大允许耗1IGBT损耗分析及计算散功率Ptot(额定1660W，室温25℃时)，必须保证IGBT的对于H型双极模式PW

3、M系统中使用的IGBT模块，主结温Tvj不超过其最大值Tvjmax(150℃)。因此必须采用适要由IGBT元件和续流二极管FWD组成，它们各自发生的当的散热装置，将热量传导到外部环境。如果散热装置设计损耗之和就是IGBT本身的损耗。除此，加上IGBT的基极或选用不当，这些大功率器件因过热而损坏。驱动功耗，即构成IGBT模块整体发生的损耗。另外，发生损为了在确定的散热条件下设计或选用合适的散热器，确耗的情况可分为稳态时和交换时。对上述内容进行整理可保器件安全、可靠地工作，我们需进行散热计算。散热计算表述如下:éé导

4、通损耗Pton稳态损耗P—êêsat[截止损耗PtoffêIGBT损耗—êêê开启损耗Ptrêê交换损耗Psw—[IGBT模块单位元件的总损耗Ptot—êë关断损耗Ptfê稳态损耗PFêFWD损耗P—êFWD[交换损耗(反向恢复损耗)PtrrêëIGBT基极损耗PB无论IGBT元件的(或FWD元件)稳态损耗、交换损耗均可通过其电流、电压特性进行计算。即由IGBT开关状态下的电流、电压随时间变化的关系，可求得一个周期内的平T1［1］均功率损耗为P=∫Uce(t)Ic(t)dt。T0在某型号地空导弹武器系统使用的H型

5、双极模式PWM控制系统中，IGBT(FWD)的开关周期T=65μs，频率为fc=1/T=15.38kHz。实测得到IGBT的集电极电流Ic=15.5A时，IGBT的集射电压VCES=3.4V，IGBT和FWD的电流、电压波形如图1IGBT(FWD)的电流、电压波形图1所示。由图1可知:收稿日期:2010－03－17修回日期:2010－04－19作者简介:郭永生(1977-)，男，山西孝义人，助理工程师，主要从事电子产品结构设计。第3期郭永生，等:大功率器件IGBT散热分析171.1IGBT开启损耗Ptr计算FWD

6、的稳态损耗PF≈0W。trP=1U1－tItdt=IGBT的交换损耗Psw=Ptr+Ptf=16.69+31.10=tr∫c()cT0trtr47.79W。Uc·Ic·tr=16.69W.(1)FWD的交换损耗Ptrr=2.18W。6TIGBT元件的损耗PIGBT=Psat+Psw=68+1.134=1.2FWD交换损耗Ptrr计算69.134W。Uc1·Ic1·t1Uc2·Ic2·t2Ptrr=+=2.18W.(2)FWD的损耗PFWD=PF+Ptrr=0+2.18=2.18W。6T3T则IGBT模块单位元件的

7、总损耗Ptot1=PIGBT+PFWD+1.3IGBT关断损耗Ptf计算13ttt14ttPb≈72W。Ptf=T∫Uc3tIc3(1－)dt+T∫Uc4(1－)该PWM控制系统中，双单元IGBT的总损耗03t30t41t5Ptot=2Ptot1=144W.(7)ttIc4(1－)dt+∫Uc5Ic5(1－)dt根据计算出的发生损耗进行散热设计，保证结温T不tT0tvj45Uc3·Ic3·t3Uc4·Ic4·t4Uc5·Ic5·t5超过设计允许值。Ptf=6T+3T+2T为保证降额设计，有关参数使用结温Tvj=T

8、vjop470·6.2·0.850·1.55·0.2(125℃)时的数据。这些特性数据均以BSM200GB170DLCPtf=++技术手册为准。6·653·65420·7.75·12散热器热阻的计算=31.10W.(3)2·65热阻表示介质传热的能力，其意义就是单位功耗引起的1.4IGBT导通损耗Pton计算温升，通常用Rth表示(单位为℃/W)。一般说热阻时，都要Uce