IGBT功耗分析及散热片设计

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1、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，成本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，且散热效果跟其结构和做工成正比。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

2、。一定要保证散热体台面的表面粗糙度、平行度和平面度满足要求，否则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

3、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：则可以整理为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下列损耗参数：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行预测。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、

4、根据散热器的相关设计准则对散热器齿厚、齿的形状、齿间距、基板厚度进行优化；3、进行校核计算；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交叉，影响齿表面的对流。所以一般情况下，建议自然冷却的散热器齿间距大于12mm，如果散热器齿高低于10mm，可按齿间距≥1.2倍齿高来确定散热器的齿间距。2、自然冷却散热器表面的换热能力较弱，在散热齿表面增加波纹不会对自然对流效果产生太大的影响，所以建议散热齿表面不加波纹齿。3、自然对流的散热器表面一般采用发黑处理，以增大散热表面的辐射系数，强化辐射换热。4、由

5、于自然对流达到热平衡的时间较长，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基本参数，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，成本较低，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

6、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）：有较大范围的热阻分布，但是成本很高。FoldedFin（折叠肋片型散热片）：热阻很小，但是成本较高。LiquidSystems（水冷系统）：热阻为所有型材中最小，但是成本也相对而言最高。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之内。4.2MotorDriverIC+DiscreteIGBT方案热阻计算：假设散热片有平台的底部（能够与晶体管紧密结合）。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

7、力电子系统而言，散热片与晶体管的热阻模型如图所示：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：则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